Circuito para un potenciómetro de ajuste grueso y fino.

Question

He intentado encontrar un circuito para un divisor de voltaje con ajuste grueso y fino (dos potenciómetros), pero no lo entiendo y/o no tienen una respuesta lineal.

Problema: Quiero tener un voltaje ajustable de 0 a 5V usando dos potenciómetros, uno para ajuste grueso y el otro para ajuste fino (de 10mV si es posible).

De las hojas de datos que he revisado (por ejemplo, esta), parecen no especificar la resolución de los incrementos posibles del potenciómetro.

Aquí hay tres circuitos que tengo actualmente:

El ajuste fino del tercer circuito disminuye a medida que se establece el ajuste grueso más alto, por lo que no creo que sea una buena idea (a menos que se utilice un potenciómetro logarítmico... aún no tengo idea de cómo funcionan esos).

Dado que el primero y el segundo son muy similares, consideraré el primero.

Supuse una resolución de 5 grados de 300 grados, ya que no pude encontrar ninguna información al respecto.

Esto me da:

• 0.83kOhm / ajuste con el potenciómetro de 50K, y una resolución de 166mV
• 0.167kOhm / ajuste con el potenciómetro de 10K

La ecuación que obtengo es:

$$V_{out} = \frac{R_{grueso} + R_{fino}}{50 + R_{fino}} V_{in}$$

Al graficar esto en matlab para un ajuste grueso de 0V, obtengo la siguiente curva:

En el extremo inferior del potenciómetro, hay una resolución de 33mV y en el extremo superior del potenciómetro hay una resolución de 24.7mV.

Para mi aplicación, esto es adecuado. Sin embargo, no estoy seguro si existe un enfoque mejor (y lineal) para un ajuste fino y grueso.

Answer 1

Esto es mejor...

simular este circuito – Esquemático creado usando CircuitLab

Las ventajas son:

• Baja sensibilidad a la tolerancia del potenciómetro y temperatura (puedes usar resistencias de precisión para R2/R3)
• Un rango de ajuste fino bastante lineal y casi constante en mV
• Impedancia de salida bastante constante (+/-0.5%) y predecible (mínimo 9.09K máximo 9.195)
• Baja sensibilidad a la variación de la resistencia de contacto de los potenciómetros (1% de variación en la R1 resulta en una variación del 0.05%)

Este circuito consume alrededor de 20 mA de la línea de 5V. Si eso es un problema, puedes aumentar R4 en 10:1, aumentar tanto R4 como R1 en otro 10:1 en detrimento del rendimiento o escalar todos los valores en detrimento de la impedancia de salida.

Tu circuito #1 tiene una impedancia de salida de 0 ohmios a 27.5K, dependiendo de la configuración de los potenciómetros.

El ajuste fino y grueso solo te lleva hasta cierto punto, también podrías considerar un divisor de voltaje conmutado para el ajuste "grueso". Esperar que el ajuste "grueso" permanezca estable dentro del 0.2% puede ser pedir demasiado a menos que sea un potenciómetro muy bueno.

Ten en cuenta que tu potenciómetro de plástico conductor no especifica un coeficiente de temperatura en absoluto, eso es porque los potenciómetros de plástico conductor son generalmente horribles, tal vez +/-1000ppm/°C típicamente, así que usarlos como reóstato en lugar de un divisor de voltaje no es tan buena idea. Lo has reducido en 5:1 por las razones de los potenciómetros, pero aún es bastante malo. El circuito que presenté sería típicamente alrededor de 5 veces mejor con resistencias decentes para R2/R3 porque los potenciómetros se usan puramente como divisores de voltaje.

Editar: como una buena aproximación para R4 << R3 y R1 << R2 (puedes hacer el cálculo exacto en Matlab teniendo en cuenta las resistencias de los potenciómetros si quieres), el voltaje de salida es:

$V_{OUT} = 5.0 (\frac {\alpha \cdot 9.09K}{10K} + \frac {\beta \cdot 9.09K}{100K})$

Donde 0$\le \alpha\le 1$ es la posición de R1 y 0$\le \beta \le 1$ es la posición de R4

Entonces el rango de R1 es 4.545V y el rango de R4 es 0.4545V. Si centras ambos potenciómetros obtienes 2.500V. Si puedes ajustar R4 al 1% de la escala completa (razonable), eso serían 4.5mV de resolución.

Answer 2

+1 para Spehro Pefhany. Ese es un circuito muy elegante. En cuanto a cómo funciona, así es como lo veo:

simular este circuito – Esquemático creado utilizando CircuitLab

La asimetría del divisor de voltaje (asimétrico porque R3 > R2) hace que uno de los potenciómetros sea grueso y el otro fino. Debido a que R2 < R3, el voltaje de salida será principalmente una función de V1, con V4 capaz de hacer ajustes finos.

La advertencia aquí es, por supuesto, que la impedancia de salida de los potenciómetros cambia con la posición del cursor, por lo que la aplicación del teorema de Thévenin en el primer paso solo es correcta cuando los potenciómetros están en sus puntos medios; cuando el potenciómetro se mueve a cualquier extremo, la impedancia de salida se acerca a 0Ω. Sin embargo, dado que R2 y R3 son mucho más grandes que cualquiera de los potenciómetros, esta variabilidad es relativamente insignificante, tanto en términos de no linealidad como en la variación de la impedancia de salida del circuito en general.

Answer 3

Me alegro de haber encontrado esta respuesta. Gracias a la respuesta de Spehro Pefhanys, me hizo pensar y calcular a un enfoque más general que me gustaría compartir.

simular este circuito – Esquema creado utilizando CircuitLab

$m$ denota una proporción de escala, que en el caso presentado es 10:1, $m=10$

$Z_{out_{MAX}} = \frac{m}{m+1}\cdot \left(R_s +\frac{R_p}{4}\right)$

$Z_{out_{min}} = \frac{m}{m+1} \cdot R_s$

$Z_{out_{MAX}}$ se alcanza cuando ambos lados del potenciómetro están en la posición central $\alpha = \beta = 0.5$

$Z_{out_{min}}$ se alcanza cuando ambos potenciómetros están en los extremos.

Interesante notar que en esta configuración, la Variación de Impedancia está determinada únicamente por los Potenciómetros $\Delta_{Z_{out}} = Z_{out_{MAX}} -Z_{out_{min}} = \frac{m}{m+1}\cdot \frac{R_p}{4}$

Si consideras $Z_{load} >>> Z_{out}$ entonces: $\frac{V_{out}}{V_{in}}=\frac{m}{m+1}\cdot\left(\alpha +\frac{\beta}{m}\right)$

$Z_{in} \approx R_{p1} // R_{p2}$ , donde Rp1 y Rp2 son los potenciómetros representados en Rp y m·Rp en el diagrama.

La impedancia de entrada del circuito es relativamente constante, solo ligeramente alterada con diferentes posiciones del wiper o incluso diferentes cargas.

---

Mejoras menores en la varianza de impedancia:

Como se puede demostrar, la proporción fina/gruesa está definida por $m , R_{s2} = m \cdot R_{s1}$, El rango de impedancia está definido únicamente por los potenciómetros $R_{p2} = m \cdot R_{p1}$

Las fórmulas presentadas escalan los potenciómetros con la proporción $m$, aunque no es necesario. Como se presentó inicialmente por Spehro, pueden ser del mismo "valor". No escalar los valores aumenta la carga de entrada pero puede mejorar ligeramente la varianza de impedancia. Se puede aproximar cuánto como sigue.

Sea $f(x) = \Delta_{Z_{out}} = \frac{x}{x+1}\cdot \frac{R_p}{4}$

$f'(x) = \frac{R_p}{4\left(1+x\right)^2}$

evaluando tanto $f(m)$ como $f'(m)$ podemos definir una función lineal :

$g(k) = k\cdot f'(m) + b$

donde b se encuentra resolviendo $g(m) = f(m)$. Ahora tendremos una función lineal $g(k)$ que aproximará la varianza de impedancia dada un factor k entre los potenciómetros $R_{p2} = k\cdot R_{p1}$ manteniendo el factor $m$ para la proporción fina/gruesa.

Para el ejemplo proporcionado por Spehro, $m=10, R_p = 0.5 k\Omega$

$g(k) = \frac{k}{968} + \frac{100}{968}$

la mejora de usar dos potenciómetros de $500 \Omega$, $g(1) \approx 104 \Omega$ en lugar de un potenciómetro de $500 \Omega$ y $5k \Omega$, $g(10) \approx 114 \Omega$ es una mejora en el rango de impedancia de $\approx 10\Omega$

De hecho, si estás dispuesto a tener una impedancia de entrada de aproximadamente $\approx 250\Omega$ puedes lograr un rango de impedancia más ajustado utilizando potenciómetros de $250 \Omega$ y $2k5 \Omega$, lo que reduciría la variación de impedancia a $\Delta_{Z_{out}} \approx 57\Omega$

---

Algunas fórmulas para el mismo diseño pero con resistores y potenciómetros que no están limitados por una proporción

La impedancia de salida se puede calcular de la siguiente manera:

$Z_{out} = \left(R_{p1}+R_{s1}\right) //\left(R_{p2}+R_{s2}\right)= \frac{\left(R_{p1}+R_{s1}\right)\cdot\left(R_{p2}+R_{s2}\right)}{R_{p1}+R_{s1}+R_{p2}+R_{s2}}$

Donde : $R_{p1} = R_{p1_{Total}}\cdot(1-\alpha)\alpha$ , siendo $\alpha$ la posición del wiper $\{0..1\}$

$Z_{out_{MAX}} = \frac{\left(R_{p1T}+4R_{s1}\right)\left(R_{p2T}+4R_{s2}\right)}{4\left(R_{p1T}+4R_{s1}+R_{p2T}+4R_{s2}\right)}$ Cuando ambos lados del potenciómetro están en la posición central $\alpha = 0.5$

$Z_{out_{min}} = \frac{R_{s1}R_{s2}}{R_{s1}+R_{s2}}$

Si consideras $Z_{load} >>> Z_{out}$ entonces: $\frac{V_{out}}{V_{in}}=\frac{\alpha R_{s2}+\beta R_{s1}}{R_{s1}+R_{s2}}$

---

Solo quería compartir mi exploración y generalización de la respuesta.

Answer 4

Tienes el enfoque correcto y tus números probablemente sean buenos dentro de un factor de 5 más o menos. Para un potenciómetro de elemento plástico, una resolución del 1% parece razonable, aunque depende de los detalles de construcción. Para los potenciómetros a los que haces referencia, el problema es que la longitud del brazo desde el eje hasta el contacto del elemento es bastante pequeña y el rodamiento lo más barato posible, por lo que puede haber cierta holgura en el lugar exacto donde se produce el contacto del elemento. Esto probablemente se manifieste como un aumento de la histéresis (la resistencia a x grados al girar en sentido horario es diferente de la resistencia al girar en sentido antihorario).

Es importante tener en cuenta que la resolución es peor para los potenciómetros de bobina de alambre, ya que el contacto salta a lo largo del exterior de una larga hélice de alambre, por lo que se obtiene un efecto de escalón con un tamaño de paso fijo.

Básicamente hay 3 enfoques para obtener una mejor resolución de un potenciómetro. Primero, utilizar un elemento más suave, con un tamaño de grano interno más pequeño. El plástico conductor es el mejor, y los potenciómetros a los que haces referencia lo utilizan. En segundo lugar, hacer el potenciómetro más grande. Esto permite un control más fino sobre exactamente dónde se encuentra el contacto con el elemento, aunque también requiere mayor precisión en el rodamiento y el diseño del brazo del limpiador para evitar que se flexione al moverse. Finalmente, puedes optar por potenciómetros de varias vueltas, siendo las unidades de 10 vueltas las más comunes, aunque también he encontrado modelos de 5 vueltas y 20 vueltas. En este enfoque, el elemento resistivo forma una espiral de n vueltas y el brazo del contacto se desplaza verticalmente a lo largo del eje del eje según sea necesario. Con un elemento resistivo más largo, es posible un mayor posicionamiento preciso del limpiador y, por lo tanto, una mejor resolución.

En cuanto a tu análisis, es correcto. La cantidad de no linealidad está directamente relacionada con la relación de las dos resistencias. Una mayor relación proporciona una mejor linealidad (aunque esto reduce el rango del ajuste fino y requiere que el ajuste grueso sea más preciso).

Por último, si exiges una linealidad máxima (y probablemente poco realista), no agrupas los potenciómetros en absoluto. Conectas sus extremos en paralelo y alimentas cada limpiador a un amplificador con una ganancia diferente, luego sumas los dos resultados en un amplificador final.

Answer 5

Lo he hecho con dos potenciómetros en serie, cada uno cableado como R variables (uno en el extremo del trimpot), con un amplificador operacional en la salida, a veces el variable R está en una etapa de ganancia. (¡Pero me gusta el circuito de Spehro! otra ventaja que se olvidó de mencionar, ~ impedancia de entrada constante).