Czy istnieją potencjometry bez wycieraczek?

Potencjometry są znane z zużycia (przynajmniej z mojego doświadczenia); mała wycieraczka ostatecznie po prostu zużywa swój kontakt i nie ma dłuższego połączenia elektrycznego. W przypadku urządzenia audio może to objawiać się trzaskaniem przy zmianie głośności. Zużycie niekoniecznie jest równe i mogą istnieć pozycje o gorszym kontakcie niż inne. Zauważyłem, że gorzej jest zwykle w pobliżu górnej granicy (pełna głośność; pełna jasność itp.), Ale rozkład zużycia można prawdopodobnie przypisać głównie sposobowi użytkowania urządzenia.
    Posiadanie komponentu z takim tarciem wydaje mi się bardzo złym pomysłem (i najwyraźniej tak jest) i często zastanawiam się, czy istnieją komercyjnie dostępne konstrukcje, które nie mają kontaktu przesuwnego (z wyłączeniem cyfrowych potencjometrów [1]) i czy „ ponownie ekonomiczny. Przewiduję, że jedna taka konstrukcja bez wycieraczek byłaby oparta na łożyskach kulkowych lub przekładniach epicyklicznych, przy czym co najmniej jedna z kul lub kół planetarnych będzie przewodząca, reszta jest izolacyjna, a tory, w których się toczą, lub pierścień lub gwiazda / koło słoneczne, posiadające rezystancyjne elementy gradientowe. Ale czy coś takiego jest obecnie dostępne?

Uwaga 1: Powinien zachowywać się podobnie do zwykłego potencjometru pasywnego. Potencjometry cyfrowe wymagają zasilania i pobierają moc, więc, jak rozumiem, niekoniecznie są to zamienniki (3-stykowy potencjometr cyfrowy wymagałby, aby końcówki podwójne podwoiły się jako zasilacz, co nie zawsze ma miejsce ). Interesuje mnie szczególnie to, czy istnieją takie elementy jak pasywne potencjometry bez wycieraczek , które w najprostszej postaci mają 3 piny, przy czym suma rezystancji między pinami 1 i 2 oraz między pinami 2 i 3 ma być stała (tj. 2 pinowy rezystor zmienny sam w sobie nie jest potencjometrem).

Jak uzyskać jak najwięcej z potencjometru?

W wielu precyzyjnych, niskoszumowych konstrukcjach nie jest dobrym pomysłem, aby nawet poprowadzić sygnał przez panel przedni. Zatem przynajmniej element sterujący powinien po prostu wytwarzać sygnał napięciowy, który reguluje wzmacniacz / tłumik sterowany napięciem. Za pomocą źródła potencjometrycznego można buforować i filtrować sygnał dolnoprzepustowy sygnału sterującego, aby zminimalizować efekt zaniku wycieraczek.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Tutaj napięcie odniesienia zasila potencjometr. Zmienna rezystancja wycieraczek jest modelowana przez Rw, która może zmieniać się o 9 rzędów wielkości, ale jest przeważnie „niska” i rzędu Ohma. R2 utrzymuje stały czas powyżej 50 ms. Od R2 >> R1 wpływ R1 jest niewielki. C2 tworzy filtr dolnoprzepustowy z R1 + R2, ale działa również jako kondensator podtrzymujący. U2 to wzmacniacz operacyjny ustawiony w trybie nieodwracającym, dzięki czemu jego wejście ma bardzo wysoką impedancję. Wyjście U2 trafia do wzmacniacza sterowanego napięciem.

C2 powinien być typu o niskim wycieku z dielektrykiem NP0 lub tworzywem sztucznym, a U2 powinien mieć stopień wejściowy FET lub CMOS. Więc nie używaj 741 dla U2, oczekując, że zadziała to tak świetnie - chociaż nadal będzie działało lepiej niż nagi potencjometr.

Jeśli przewód od R1 do obwodu jest długi, może być potrzebna osłona rozruchowa. Konieczne jest jednak przeprowadzenie pewnych eksperymentów w celu zapewnienia stabilności obwodu, ponieważ pojemność ekran-sygnał zapewnia systemowi dodatnie sprzężenie zwrotne.

To już daje ci znacznie lepiej działający obwód niż używanie potencjometru bezpośrednio na sygnale. Nawet przy dość krótkiej stałej czasowej 50 ms, możesz pozbyć się trzasku nawet na najbardziej absurdalnie brudnych potencjometrach. Zawsze możesz zamienić czas reakcji na niewrażliwość na trzaski.

Przekierowywanie audio na panele przednie jest zwykle koszmarem EMI i często nie jest wcale tanie, aby zrobić to poprawnie.

Wzmocnienie kontrolowane napięciem

Dobry wzmacniacz sterowany napięciem za uderzenie można uzyskać za pomocą fotorezystora oświetlonego diodą LED. Fotorezystory, jeśli je wybierzesz, mogą mieć bardzo niski współczynnik rezystancji napięcia, a tym samym bardzo niskie zniekształcenie, z pewnością pokonując najprostsze obwody multiplikatora o rząd wielkości lub więcej. Są one dostępne jako samodzielne jednostki, znane jako Vactrols, od Excelitas . Muszą być stosowane ostrożnie, ponieważ nie chcesz przekraczać około 100 mV na fotorezystorze, ale poza tym są cudownie potężnymi urządzeniami za około 5 USD za sztukę.

Istnieją przyzwoite zintegrowane wzmacniacze sterowane napięciem, takie jak ostatni zakup (niestety) SSM2018 lub nowszy AD8338, THAT2181 itp.

A może toczący się kontakt?

Jeśli nadal masz mechaniczną mysz, otwórz ją. Wyjmij piłkę i spójrz na rolki. Niezmiennie będą pokryte utwardzoną smugą brudu. Stały kontakt to nie wszystko, co trzeba, jeśli nie możesz dość dobrze kontrolować środowiska. Styki przesuwne mają właściwość samoczyszczenia. Zwijanie styków w potencjometrze miałoby dokładnie odwrotne zachowanie - samobrudzą się . To byłby bardzo zły pomysł.

Pod względem mechanicznym wydaje się, że zapominasz o innym aspekcie: kontakt toczny jest doskonały w koncentracji naprężeń i wymaga wystarczająco twardych powierzchni, aby zapobiec zużyciu. Trudno jest stworzyć czujnik rezystancyjny o niskiej mocy, w którym powierzchnia musi stykać się z metalową kulką / rolką, mając jednocześnie jakąkolwiek użyteczną długość życia.

Jeśli naprawdę nie dbasz o moc obwodu, masz opłatę za wykonanie szyny oporowej w kształcie litery C z hartowanej stali. Podaj mu kilka amperów w impulsach, użyj obwodu próbkowania i przytrzymaj, aby uzyskać amplitudę impulsu i gotowe. Będzie działał tak długo, jak długo będziesz go przechowywać w pyłoszczelnej obudowie. Należy pamiętać, że pyłoodporność jest zwykle trudniejsza niż wodoodporność (!).

TL; DR: Styk toczny byłby prawdopodobnie najgorszą rzeczą, jakiej można sobie życzyć w wycieraczce potencjometru.

Jakie są inne opcje?

Możesz uzyskać sygnał z innych źródeł. Wszystkie one pracują, przekształcając kąt wału w napięcie, stosując różnorodne techniki. Przedstawiam je w dowolnej kolejności.

Potencjometry bezkontaktowe

Załóżmy, że zaczynasz od podstawowej ścieżki oporności potencjometru w kształcie litery C. Wybierz duży, aby łatwo było nad nim pracować. Otwórz to. Zegnij wycieraczkę, aby uniosła się z toru, ale tylko nieznacznie. Zasil ścieżkę sygnałem AC, powiedzmy falą prostokątną 1 MHz, z drugim końcem ścieżki o napięciu 0 V. Wycieraczka jest pojemnościowo sprzężona z torem i odbiera sygnał, którego amplituda jest proporcjonalna do położenia na torze. Będziesz musiał go zmodyfikować, aby pozbyć się najgorszych pasożytniczych pojemności, ale zadziała. Możesz użyć popychacza FET lub wzmacniacza operacyjnego, aby obniżyć impedancję sygnału wycieraczki, a następnie użyć demodulatora synchronicznego do konwersji amplitudy z powrotem na pasmo podstawowe. Może to zabrzmieć fantazyjnie, ale w przypadku tak prostego czujnika można to zrobić za części warte kilka dolarów, nic wymyślnego wcale nie jest potrzebne.

Transformatory zmienne

Bardzo precyzyjnym i być może przesadnym źródłem byłoby RVDT (obrotowy kuzyn LVDT). W przypadku jednorazowego projektu „próżności” byłby to dobry wybór - te rzeczy są praktycznie niezniszczalne, a przy odrobinie szczęścia można je tanio uzyskać z nadwyżki. Do regulacji głośności możesz zrobić bardzo prosty kondycjoner RVDT (obwód jest taki sam jak dla LVDT).

Zmienne kondensatory

Inną opcją próżności byłby stary, ciężki kondensator obrotowy. Te lepsze mają parę łożysk kulkowych. Podobnie jak RVDT, nie mają innych części, które mogłyby się zużyć. Umieść kondensator w obwodzie multiwibratora, podłącz do obwodu przetwornika napięcie-częstotliwość (notatki aplikacji LT mają ich mnóstwo) i gotowe.

Czujniki magnetyczne

Znacznie tańszą opcją byłby czujnik Halla. Załóżmy, że masz magnes zorientowany promieniowo na wale, a obok niego przetwornik Halla. Podczas obracania wału strumień magnetyczny przechodzący przez prawidłowo umieszczony czujnik będzie się różnił. To dobre źródło napięcia sterującego - również tanie w realizacji.

Czujniki optyczne

Możesz także mieć czujnik optyczny: wydrukuj odstęp V z mapowaniem XY na współrzędne biegunowe na arkuszu folii przezroczystej. Zamontować na wale. Umieść parę fotodektektora LED, aby „widział” szczelinę. Kondycjonuj fotodetektor (tranzystor lub diodę) za pomocą wzmacniacza operacyjnego.

Inną opcją optyczną, która nie wymaga odstępu V, byłoby zamontowanie pochylonej tarczy na końcu wału, aby nie była ona całkowicie prostopadła do osi wału. Następnie użyj czujnika odblaskowego (LED + fotodetektor), aby uzyskać ciągły sygnał proporcjonalny do kąta.

Inną opcją optyczną jest wydrukowanie wzoru wielofazowego na cylindrze na wale i użycie wielu czujników optycznych, z sumowanymi wyjściami, zapewniających moc wyjściową. Wzór może wyglądać następująco:

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

Gdy cylinder obraca się nad czujnikami, ich moce wyjściowe maleją stopniowo. Rozsądnie zmniejszając liczbę detektorów / pasków i odległość wykrywania, można uzyskać prosty czarno-biały wzór. Czasami jest to łatwiejsze do wyprodukowania niż coś bardziej wyszukanego.

Konwertery naprężeń i kątów

Jeszcze inną opcją, całkiem rozsądną, jeśli wiesz, jak radzić sobie z tensometrami, byłoby posiadanie interfejsu wału z długą sprężyną spiralną. Uderz gdzieś na sprężynie 4-przymiarowy mostek tensometryczny czułą osią wzdłuż długości sprężyny, a otrzymasz bardzo ładny sygnał proporcjonalny do kąta wału. Musisz dodać trochę tarcia do obwodu mechanicznego, aby wałek pozostawał w pozycji po zwolnieniu pokrętła.

Szanse na wygraną

Jeszcze inną opcją, jeśli chcesz uzyskać funky, byłoby posiadanie zmiennego kondensatora akustycznego. Niech wał przechodzi przez płaską toroidalną skrzynkę. Oczywiście może mieć prostokątny przekrój. Wykonaj promieniowy rowek przez wnętrze skrzynki i wysuń promieniowy kołek z wału przez promieniowy rowek. Przymocuj wiosło, które prawie wypełnia przekrój pudełka do końca sworznia. W punkcie zero w polu dodaj przegrodę i przetwornik akustyczny. Podłącz go do oscylatora, a otrzymasz elektroakustyczny konwerter kąt-okres.

Powyższe to tylko rzeczy, które próbowałem, z pewnym powodzeniem, w pewnym momencie życia. Istnieje prawie nieskończona ilość innych pomysłów, jeśli chcesz się zabawić z transdukcją.

Nie, nie istnieją. Po prostu dlatego, że nie mogą.

Potencjometr składa się z toru węglowego z wycieraczką poruszającą się w górę i w dół. Nie można pozwolić, aby wycieraczka poruszała się po ścieżce węgla bez tarcia. Tak, można zmniejszyć tarcie za pomocą łożysk i tym podobnych, ale zawsze będzie to tarcie.

Dlatego ludzie zamiast tego używają enkodera obrotowego - najczęściej optycznego, jeśli chcesz uzyskać niskie tarcie - dysku ze szczelinami, które przerywają szereg wiązek podczerwieni.

Bardzo trudno jest uniknąć zmiany oporu wycieraczek arbitralnie w zależności od położenia wycieraczki. Jednak w dobrej konstrukcji opór wycieraczek będzie miał minimalny wpływ na zachowanie obwodu. Każde dziesięciokrotne zmniejszenie ilości prądu przewodzonego przez wycieracz spowoduje dziesięciokrotne zmniejszenie napięcia nałożonego na jego rezystancję. Podobnie każde dziesięciokrotne zwiększenie napięcia przenoszonego przez kocioł spowoduje dziesięciokrotne zmniejszenie znaczenia dowolnego napięcia nałożonego na rezystancję.

Jeśli urządzenie próbuje wysterować 8-omowy głośnik 1/8 W (1 VRMS) przy użyciu potencjometru 10-omowego jako regulacji głośności, zmiana rezystancji wycieraczki o 1 om pojawi się jako zmiana 1/8 V w sygnał. Paskudny. Gdyby użyć transformatora podwyższającego napięcie 50: 1 do skalowania napięcia od 1 V 1/8 A do 50 V 1/400 A przed przepuszczeniem go przez 500-omowy garnek, wówczas zmiana rezystancji wycieraczki o jeden om ujawniłaby się jako: zmiana 1/400 woltów sygnału w zbiorniku; przepuszczenie go przez transformator obniżający 1:50 w celu napędzania głośnika sprawiłoby, że pojawiłby się tam jako sygnał o wartości 1/20 000 woltów (redukcja 2500 razy w porównaniu do bezpośredniego sterowania głośnikiem). Znacząca poprawa.

W aspekcie bardziej inżynieryjnym, aby uzyskać efekt „garnka bez tarcia”, można kontrolować pulę cyfrową (lub coś podobnego) za pomocą bezdotykowego narzędzia pomiarowego.

Na przykład możesz zdobyć jeden z tych modułów sonaru i sterować d-potencjometrem, przekształcając odległość między czujnikiem a ruchomym celem, mierzoną bezdotykowo za pomocą sonaru, na opór (lub pozycję wycieraczki) na d-potencjometrze.