¿Existen los potenciómetros "sin limpiaparabrisas"?

Question

Los potenciómetros son famosos por su desgaste (al menos en mi experiencia); el pequeño limpiaparabrisas eventualmente sólo 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 parejo y puede haber posiciones que tienen peor contacto que otras. He notado que es peor generalmente cerca del límite superior (volumen completo, brillo completo, etc.), pero la distribución del desgaste probablemente puede atribuirse principalmente a la forma en que 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 en el mercado que no tengan un contacto deslizante (excluyendo los potenciómetros digitales[1]), y si son económicos. Me imagino que uno de esos diseños sin limpiaparabrisas se basaría en cojinetes de bolas o engranajes epicicloidales, con al menos una de las bolas o engranajes planetarios como conductores, el resto como aislantes, y las pistas en las que ruedan, o el anular o engranaje estrella/sol, teniendo el elemento o elementos de gradiente resistivo. Pero, ¿hay algo como esto disponible actualmente?

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Nota 1: Debe comportarse de manera similar a un potenciómetro pasivo ordinario. Los potenciómetros digitales requieren una fuente de alimentación y una potencia de arrastre, por lo que, según tengo entendido, no son necesariamente sustitutivos de los de tipo "drop-in" (un potenciómetro digital de 3 clavijas requeriría que las clavijas de los extremos se doblaran como fuente de alimentación, lo que no siempre es el caso). Estoy específicamente interesado en saber si tales componentes como el wiperless pasivo Existen potenciómetros 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 pensada para ser constante (es decir, una resistencia variable de 2 pines no es por sí misma un potenciómetro).

Answer 1

¿Cómo sacar el máximo partido a un potenciómetro?

En muchos diseños de precisión y bajo nivel de ruido, es una mala idea empezar por tener la señal enrutada a través del panel frontal. Así que, como mínimo, el elemento de control debería limitarse a producir una señal de tensión que gobierne un amplificador/atenuador controlado por tensión. Con una fuente potenciométrica, se puede amortiguar y filtrar la señal de control, de modo que se minimicen los efectos de la caída de los wiper.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Aquí, una referencia de tensión alimenta el potenciómetro. La resistencia variable del limpiaparabrisas está modelada por Rw, que puede variar en 9 órdenes de magnitud, pero es mayormente "baja" y del orden de un Ohm. R2 mantiene la constante de tiempo por encima de 50ms. Como R2>>R1, la influencia de R1 es pequeña. C2 forma un filtro de paso bajo con R1+R2, pero también actúa como condensador de retención. U2 es un op-amp 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 tensión.

C2 debe ser del tipo de baja fuga con NP0 o dieléctrico plástico, y U2 debe tener una etapa de entrada FET o CMOS. Por lo tanto, no uses el 741 para U2 con la expectativa de que funcione tan bien - aunque seguirá funcionando mejor que el potenciómetro desnudo.

Si el cable que va de R1 al circuito es largo, es posible que necesites un apantallamiento de arranque. Sin embargo, es necesario experimentar para garantizar la estabilidad del circuito, ya que la capacitancia de la pantalla a la señal añade una retroalimentación positiva al sistema.

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

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

Ganancia controlada por tensión

Un buen elemento de ganancia controlado por tensión se puede hacer utilizando una fotorresistencia iluminada por un LED. Los fotorresistores, si se seleccionan, pueden tener un coeficiente de resistencia al voltaje muy bajo y, por tanto, una distorsión muy baja, superando sin duda a la mayoría de los circuitos multiplicadores simples en un orden de magnitud o más. Están disponibles como unidades autónomas, conocidas como Vactrols, en Excelitas . Deben aplicarse con cierto cuidado, ya que no se desea superar los 100 mV a través de la fotorresistencia, pero por lo demás son dispositivos maravillosamente potentes por unos 5 dólares cada uno.

Existen decentes amplificadores integrados controlados por voltaje, como el SSM2018, que se compró por última vez (lamentablemente), o los más recientes AD8338, THAT2181, etc.

¿Qué tal el contacto rodado?

Si todavía tienes un ratón mecánico, ábrelo. Saque la bola y mire los rodillos. Invariablemente, estarán cubiertos de una huella de suciedad endurecida. El contacto rodante no es todo lo que parece si no se puede controlar bien el entorno. Los contactos deslizantes tienen una propiedad de autolimpieza. Los contactos rodantes, en un potenciómetro, tendrían el comportamiento exactamente opuesto - serían autoensuciamiento . Sería una muy mala idea.

Desde el punto de vista mecánico, hay otro aspecto que pareces olvidar: el contacto de rodadura es maravilloso para concentrar las tensiones, y requiere superficies suficientemente duras para evitar el desgaste. Es bastante difícil fabricar un sensor resistivo de baja potencia en el que la superficie tenga que interactuar con una bola/rodillo de metal y que, al mismo tiempo, tenga algún tipo de esperanza de vida útil.

Si realmente no te importa la potencia del circuito, puedes hacer la pista resistiva, en forma de C, de acero endurecido. Aliméntalo con un par de amperios, en pulsos, utiliza un circuito de muestreo y retención para obtener la amplitud del pulso, y ya está. Funcionará siempre que lo alojes en una caja a prueba de polvo. Ten en cuenta que la protección contra el polvo suele ser más difícil que la protección contra el agua.

TL;DR: El contacto rodante sería posiblemente lo peor que se desearía en un wiper de potenciómetro.

Entonces, ¿qué otras opciones hay?

Puedes obtener la señal de otras fuentes. Todas ellas funcionan convirtiendo el ángulo del eje en un voltaje, utilizando diversas técnicas. Las presento sin ningún orden en particular.

Potenciómetros sin contacto

Supongamos que se parte de una pista resistiva básica, en forma de C, de un potenciómetro. Elige una grande, para que sea fácil de trabajar. Ábrelo. Dobla el rascador para que se levante de la pista, pero sólo un poco. Alimenta la pista con una señal de CA, digamos una onda cuadrada de 1MHz, con el otro extremo de la pista a 0V. El limpiaparabrisas está acoplado capacitivamente a la pista, y recogerá una señal cuya amplitud es proporcional a la posición en la pista. Tendrás que ajustarlo para eliminar las peores capacitancias parásitas, pero funcionará. Puedes usar un seguidor FET o un op-amp para bajar la impedancia de la señal del wiper, y luego usar un demodulador síncrono para convertir la amplitud de nuevo a banda base. Puede sonar muy sofisticado, pero para un sensor tan simple puedes hacerlo con un par de dólares en piezas, no se necesita nada sofisticado. De todos modos, no necesitas una linealidad superior al 10%.

Transformadores variables

Una fuente muy precisa, y quizás exagerada, sería un RVDT (un primo rotatorio de un LVDT). Para un proyecto único de "vanidad", sería una buena opción - estas cosas son prácticamente indestructibles, y con suerte se pueden conseguir a bajo precio de los excedentes. Para un control de volumen, podrías hacer un acondicionador RVDT muy simple (el circuito es el mismo que para un LVDT).

Condensadores variables

Otra opción de vanidad sería un viejo y pesado condensador rotativo. Los mejores tienen un par de rodamientos de bolas. Al igual que un RVDT, no tienen otras piezas de contacto que se desgasten. Coloca el condensador en un circuito multivibrador, conéctalo a un circuito convertidor de tensión a frecuencia (las notas de aplicación de LT tienen un montón de ellos), y ya está.

Sensores magnéticos

Una opción mucho más económica sería un sensor Hall. Suponga que tiene un imán orientado radialmente en un eje y un transductor Hall junto a él. Al girar el eje, el flujo magnético que pasa a través de un sensor correctamente colocado variará. Esta es una buena fuente de tensión de control y, además, es barata de implementar.

Sensores ópticos

También puede tener un sensor óptico: imprima un hueco en V, con X-Y mapeado a coordenadas polares, en una hoja de lámina de transparencia. Instálalo en el eje. Coloca un par LED-fotodetector para que "vea" a través del hueco. Acondiciona el fotodetector (ya sea un transistor o un diodo) con un op-amp.

Otra opción óptica que no necesita una ranura en V sería tener un disco inclinado montado en el extremo de un eje, de modo que no sea del todo perpendicular al eje. A continuación, utilizar un sensor de reflexión (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 utilizar múltiples sensores ópticos, con sus salidas sumadas, proporcionar la salida. El patrón podría tener el siguiente aspecto:

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

A medida que el cilindro gira por encima de los sensores, sus salidas se reducen progresivamente. Si se ajusta juiciosamente el número de detectores/rayas y la distancia de detección, se puede conseguir un patrón simple en blanco y negro. A veces es más fácil de fabricar que algo más sofisticado.

Convertidores de tensión a ángulo

Otra opción, bastante sensata si se sabe cómo manejar las bandas extensométricas, sería hacer que el eje se conecte con un muelle espiral largo. Coloca un puente de 4 bandas extensométricas en algún lugar del muelle, con el eje sensible a lo largo de la longitud del muelle, y obtendrás una señal muy agradable proporcional al ángulo del eje. Tendrás que añadir un poco de fricción en el circuito mecánico para que el eje se quede quieto cuando sueltes el mando.

Casualidades de la vida

Otra opción, si quieres ponerte en plan funky, sería tener un condensador acústico variable. Haz que el eje pase por 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. En el extremo de la clavija se coloca una paleta que casi llena la sección transversal de la caja. En el punto cero de la caja, añade un tabique y un transductor acústico. Conéctalo a un oscilador y tendrás un convertidor electroacústico de ángulo a periodo.

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Lo anterior son sólo las cosas que he probado, con cierto grado de éxito, en algún momento de la vida. Hay una oferta casi infinita de otras ideas, si quieres divertirte con la transducción.

Answer 2

No, no existen. Simplemente porque no pueden.

Un potenciómetro está formado por una pista de carbono con un rascador que sube y baja. No se puede hacer que ese rascador se mueva sobre la pista de carbono sin que haya fricción. Sí, se podría reducir la fricción con cojinetes y demás, pero siempre habrá esa fricción.

Por eso, la gente utiliza en su lugar un codificador rotativo -la mayoría de las veces uno óptico, si se desea una baja fricción-, un disco con ranuras que rompe una serie de rayos infrarrojos.

Answer 3

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

Si un dispositivo intenta accionar un altavoz de 1/8 vatios y 8 ohmios (1VRMS) utilizando un potenciador de 10 ohmios como control de volumen, una variación de un ohmios en la resistencia del limpiaparabrisas se manifestará como una variación de 1/8 de voltios en la señal. Qué asco. Si se utilizara un transformador de aumento de 50:1 para escalar el voltaje de 1V 1/8A a 50V 1/400A antes de pasarlo a través de un pote de 500 ohmios, entonces una variación de 0,1 ohmios en la resistencia de los limpiaparabrisas se manifestaría como una variación de 1/400 voltios en la señal en el pote; pasarlo a través de un transformador de disminución de 1:50 para accionar un altavoz lo haría aparecer allí como una señal de 1/20.000 voltios (una reducción de 2.500 veces frente a controlar el altavoz directamente). Una gran mejora.

Answer 4

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

Por ejemplo, puedes conseguir uno de esos módulos de sonar y controlar un d-pot traduciendo la distancia entre el sensor y el objetivo en movimiento, medida sin contacto usando el sonar, en una resistencia (o posición del limpiaparabrisas) en el d-pot.