Gibt es Potentiometer ohne Scheibenwischer?

Potentiometer sind bekannt für Abnutzung (zumindest nach meiner Erfahrung); Der kleine Wischer hat irgendwann nur noch einen Kontakt und hat keine feste elektrische Verbindung mehr. Bei einem Audiogerät kann dies beim Ändern der Lautstärke zu einem Knistern führen. Der Verschleiß ist nicht unbedingt gleichmäßig und es kann Positionen geben, die einen schlechteren Kontakt haben als andere. Ich habe bemerkt, dass es normalerweise in der Nähe der oberen Grenze (volle Lautstärke, volle Helligkeit usw.) schlimmer ist, aber die Verschleißverteilung kann wahrscheinlich größtenteils darauf zurückgeführt werden, wie das Gerät verwendet wurde.
    Ein Bauteil mit einer solchen Reibung zu haben, scheint mir eine sehr schlechte Idee zu sein (und das ist es offensichtlich), und ich frage mich oft, ob es im Handel erhältliche Konstruktionen gibt, die keinen Schleifkontakt haben (ausgenommen digitale Potentiometer [1]), und ob sie wirtschaftlich. Ich stelle mir vor, dass eine solche Konstruktion ohne Scheibenwischer auf Kugellagern oder Planetenrädern basiert, wobei mindestens eine der Kugeln oder Planetenräder leitfähig ist, der Rest isolierend ist und die Spuren, auf denen sie rollen, oder der Ring oder Stern / Sonnenrad mit dem oder den resistiven Gradientenelementen. Aber ist so etwas aktuell verfügbar?

Hinweis 1: Es sollte sich ähnlich wie ein normales passives Potentiometer verhalten. Digitale Potentiometer benötigen eine Stromversorgung und verbrauchen Strom, so dass sie meines Wissens nicht unbedingt ersetzt werden müssen (ein 3-poliges digitales Potentiometer würde erfordern, dass sich die Endstifte als Stromversorgung verdoppeln, was nicht immer der Fall ist ). Ich interessiere mich speziell für die Frage, ob es Komponenten wie passive Wischer- Potentiometer gibt, die in ihrer einfachsten Form 3 Stifte haben, wobei die Summe der Widerstände zwischen den Stiften 1 und 2 und zwischen den Stiften 2 und 3 konstant sein soll (dh ein 2- Pin variabler Widerstand ist an sich kein Potentiometer).

Wie holt man das Beste aus einem Potentiometer heraus?

Bei vielen rauscharmen Präzisionsdesigns ist es zunächst eine schlechte Idee, das Signal sogar durch die Frontplatte leiten zu lassen. Zumindest sollte das Steuerelement also lediglich ein Spannungssignal erzeugen, das einen spannungsgesteuerten Verstärker / Abschwächer steuert. Mit einer potentiometrischen Quelle können Sie das Steuersignal puffern und tiefpassfiltern, so dass die Dropout-Effekte des Wischers minimiert werden.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Hier speist eine Spannungsreferenz das Potentiometer. Der variable Wischerwiderstand wird von Rw modelliert, der um 9 Größenordnungen variieren kann, aber meistens "niedrig" ist und in der Größenordnung eines Ohms liegt. R2 hält die Zeit konstant über 50ms. Seit R2 >> R1 ist der Einfluss von R1 gering. C2 bildet mit R1 + R2 ein Tiefpassfilter, wirkt aber auch als Haltekondensator. U2 ist ein nicht invertierender Operationsverstärker, dessen Eingang sehr hochohmig ist. Der Ausgang von U2 geht an einen spannungsgesteuerten Verstärker.

C2 sollte vom Typ mit niedrigem Leckstrom mit NP0- oder Kunststoffdielektrikum sein, und U2 sollte eine FET- oder CMOS-Eingangsstufe haben. Verwenden Sie also 741 für U2 nicht mit der Erwartung, dass es so gut funktioniert - obwohl es immer noch besser funktioniert als das nackte Potentiometer.

Wenn die Leitung von R1 zum Stromkreis lang ist, benötigen Sie möglicherweise einen Bootstrap-Schirm. Es sind jedoch einige Experimente erforderlich, um die Stabilität der Schaltung zu gewährleisten, da die Kapazität zwischen Abschirmung und Signal dem System eine positive Rückkopplung verleiht.

Das gibt Ihnen bereits eine viel leistungsfähigere Schaltung als die Verwendung eines Potentiometers direkt am Signal. Selbst mit einer relativ kurzen Zeitkonstante von 50 ms können Sie das Knistern selbst bei den lächerlichsten Verschmutzungen der Potentiometer beseitigen. Sie können die Reaktionszeit jederzeit gegen die Unempfindlichkeit gegen Knistern austauschen.

Das Routing von Audio zu Frontpanels ist normalerweise ein EMI-Albtraum und es ist oft überhaupt nicht billig, es richtig zu machen.

Spannungsgesteuerte Verstärkung

Ein gutes spannungsgesteuertes "Bang-for-the-Buck" -Verstärkungselement kann hergestellt werden, indem ein Fotowiderstand verwendet wird, der durch eine LED beleuchtet wird. Photowiderstände können, wenn Sie sie auswählen, einen sehr niedrigen Spannungswiderstandskoeffizienten und damit eine sehr geringe Verzerrung aufweisen, die sicherlich die meisten einfachen Multiplizierschaltungen um eine Größenordnung oder mehr übertreffen. Sie sind als eigenständige Einheiten (Vactrols) von Excelitas erhältlich . Sie müssen mit einiger Sorgfalt angewendet werden, da Sie nicht über 100 mV über den Fotowiderstand hinausgehen möchten, aber ansonsten sind sie für jeweils etwa 5 US-Dollar wunderbar leistungsstark.

Es gibt anständige integrierte spannungsgesteuerte Verstärker, wie den (leider) letzten Kauf des SSM2018 oder den neueren AD8338, THAT2181 usw.

Wie wäre es mit rollendem Kontakt?

Wenn Sie noch eine mechanische Maus haben, öffnen Sie sie. Nehmen Sie den Ball heraus und schauen Sie sich die Rollen an. Ausnahmslos werden sie mit einer gehärteten Spur von Schmutz bedeckt sein. Rollender Kontakt ist nicht alles, was es verspricht, wenn Sie die Umgebung nicht gut kontrollieren können. Schleifkontakte haben eine selbstreinigende Eigenschaft. Rollende Kontakte in einem Potentiometer hätten genau das gegenteilige Verhalten - sie wären selbstverschmutzend . Das wäre eine sehr schlechte Idee.

Mechanisch gibt es einen anderen Aspekt, den Sie zu vergessen scheinen: Rollkontakt ist wunderbar, um die Beanspruchungen zu konzentrieren, und erfordert ausreichend harte Oberflächen, um Verschleiß zu verhindern. Es ist schwierig, einen leistungsarmen Widerstandssensor zu entwickeln, bei dem die Oberfläche mit einer Metallkugel / -walze in Kontakt treten muss und gleichzeitig eine Nutzungsdauer erwartet wird.

Wenn Sie sich wirklich nicht für die Leistung der Rennstrecke interessieren, können Sie die Widerstandsbahn in C-Form aus gehärtetem Stahl herstellen. Geben Sie ein paar Ampere in Impulsen ein, verwenden Sie eine Sample-and-Hold-Schaltung, um die Impulsamplitude zu erhalten, und fertig. Es funktioniert, solange Sie es in einem staubdichten Gehäuse unterbringen. Beachten Sie, dass Staubdichtigkeit in der Regel härter ist als Wasserdichtigkeit (!).

TL; DR: Der rollende Kontakt wäre möglicherweise das Schlimmste, was Sie sich bei einem Potentiometerwischer wünschen würden.

Welche anderen Optionen gibt es?

Sie können das Signal von anderen Quellen erhalten. Sie alle arbeiten, indem sie den Wellenwinkel mit einer Vielzahl von Techniken in eine Spannung umwandeln. Ich präsentiere sie in keiner bestimmten Reihenfolge.

Berührungslose Potentiometer

Angenommen, Sie beginnen mit einer einfachen C-förmigen Widerstandsspur eines Potentiometers. Wählen Sie eine große, damit Sie leicht daran arbeiten können. Öffne es. Biege den Scheibenwischer so, dass er von der Schiene abgehoben wird, aber nur so leicht. Versorgen Sie die Spur mit einem Wechselstromsignal, beispielsweise einer 1-MHz-Rechteckwelle, wobei das andere Ende der Spur bei 0 V liegt. Der Wischer ist kapazitiv mit der Spur gekoppelt und nimmt ein Signal auf, dessen Amplitude proportional zur Position auf der Spur ist. Sie müssen es optimieren, um die schlimmsten parasitären Kapazitäten zu beseitigen, aber es wird funktionieren. Sie können einen FET-Follower oder einen Operationsverstärker verwenden, um die Impedanz des Signals des Wischers zu verringern, und dann einen Synchrondemodulator verwenden, um die Amplitude zurück in das Basisband umzuwandeln. Es mag ausgefallen klingen, aber für solch einen einfachen Sensor kann man es mit Teilen im Wert von ein paar Dollar machen, es wird überhaupt nichts ausgefallenes benötigt.

Variable Transformatoren

Eine sehr genaue und vielleicht übertriebene Quelle wäre ein RVDT (ein Rotary Cousin eines LVDT). Für ein einmaliges "Vanity" -Projekt wäre es eine gute Wahl - diese Dinge sind praktisch unzerstörbar, und mit etwas Glück können Sie sie billig aus Überschüssen gewinnen. Für eine Lautstärkeregelung könnten Sie einen sehr einfachen RVDT-Conditioner herstellen (die Schaltung ist dieselbe wie bei einem LVDT).

Variable Kondensatoren

Eine weitere Option wäre ein alter, schwerer Rotationskondensator. Die besseren haben ein Paar Kugellager. Ähnlich wie bei einem RVDT haben sie keine anderen berührenden Teile, die sich abnutzen könnten. Stecken Sie den Kondensator in einen Multivibrator-Stromkreis, schließen Sie ihn an einen Spannungs-Frequenz-Stromkreis an (LT-App-Hinweise enthalten viele davon), und schon sind Sie fertig.

Magnetische Sensoren

Eine viel kostengünstigere Option wäre ein Hallsensor. Angenommen, Sie haben einen Magneten, der radial auf einer Welle ausgerichtet ist, und einen Hall-Wandler daneben. Während Sie die Welle drehen, ändert sich der Magnetfluss, der durch einen richtig platzierten Sensor fließt. Dies ist eine gute Quelle für eine Steuerspannung - auch billig zu implementieren.

Optische Sensoren

Sie können auch einen optischen Sensor verwenden: Drucken Sie eine V-Lücke mit XY-Zuordnung zu Polarkoordinaten auf ein Blatt Transparentfolie. Auf die Welle montieren. Legen Sie ein LED-Photodectector-Paar so, dass es durch die Lücke "sieht". Den Fotodetektor (entweder einen Transistor oder eine Diode) mit einem Operationsverstärker konditionieren.

Eine andere optische Option, die keinen V-Spalt benötigt, ist die Montage einer geneigten Scheibe am Ende einer Welle, so dass sie nicht ganz senkrecht zur Wellenachse verläuft. Verwenden Sie dann einen Reflexionssensor (LED + Fotodetektor), um ein kontinuierliches Signal proportional zum Winkel zu erhalten.

Eine weitere optische Option besteht darin, ein Mehrphasenmuster auf einen Zylinder auf der Welle aufzudrucken und mehrere optische Sensoren zu verwenden, deren Ausgangssummen den Ausgang liefern. Das Muster könnte folgendermaßen aussehen:

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

Wenn sich der Zylinder über den Sensoren dreht, werden deren Ausgänge zunehmend geringer. Indem Sie die Anzahl der Detektoren / Streifen und den Erkennungsabstand mit Bedacht anpassen, können Sie mit einem einfachen Schwarzweißmuster auskommen. Manchmal ist das einfacher herzustellen als etwas ausgefalleneres.

Dehnungs-Winkel-Wandler

Eine weitere Option, die durchaus sinnvoll ist, wenn Sie mit Dehnungsmessstreifen umgehen können, besteht darin, die Wellenschnittstelle mit einer langen Spiralfeder zu versehen. Schlagen Sie eine 4-Gage-DMS-Brücke mit der empfindlichen Achse über die Federlänge auf die Feder und Sie erhalten ein sehr gutes Signal proportional zum Wellenwinkel. Sie müssen dem mechanischen Kreislauf etwas Reibung hinzufügen, damit die Welle beim Loslassen des Knopfes in Position bleibt.

Chancen und Ziele

Eine weitere Option, wenn Sie flippig werden möchten, ist ein variabler akustischer Kondensator. Lassen Sie die Welle durch einen flachen Ringkasten laufen. Es kann natürlich einen rechteckigen Querschnitt haben. Machen Sie einen Radialschlitz durch die Innenseite des Kastens und ziehen Sie einen Radialstift von der Welle durch den Radialschlitz. Befestigen Sie ein Paddel, das den Querschnitt der Box fast bis zum Ende des Stifts ausfüllt. Fügen Sie am Nullpunkt in der Box eine Trennwand und einen Schallwandler hinzu. Schließen Sie es an einen Oszillator an, und Sie haben einen elektroakustischen Winkel-Perioden-Wandler.

Das Obige sind nur die Dinge, die ich irgendwann im Leben mit einigem Erfolg ausprobiert habe. Es gibt fast unendlich viele andere Ideen, wenn Sie etwas Transduktionsspaß haben möchten.

Nein, sie existieren nicht. Einfach weil sie nicht können.

Ein Potentiometer besteht aus einer Carbonschiene, auf der sich ein Wischer auf und ab bewegt. Sie können den Wischer nicht reibungslos über die Carbonschiene bewegen lassen. Ja, Sie könnten die Reibung mit Lagern und dergleichen verringern, aber es wird immer diese Reibung geben.

Daher wird stattdessen ein Drehgeber verwendet - meistens ein optischer, wenn Sie geringe Reibung wünschen - eine Disc mit Schlitzen, die eine Reihe von Infrarotstrahlen unterbrechen.

Es ist sehr schwierig zu vermeiden, dass der Wischerwiderstand willkürlich mit der Wischerposition variiert. In einem guten Design hat der Wischerwiderstand jedoch nur minimale Auswirkungen auf das Schaltungsverhalten. Jede zehnfache Verringerung der vom Wischer geführten Strommenge bewirkt eine zehnfache Verringerung der durch seinen Widerstand überlagerten Spannungsmenge. Ebenso führt jede zehnfache Erhöhung der vom Topf übertragenen Spannung zu einer zehnfachen Verringerung der Signifikanz jeder vom Widerstand überlagerten Spannung.

Wenn ein Gerät versucht, einen 1/8-Watt-8-Ohm-Lautsprecher (1VRMS) mit einem 10-Ohm-Poti als Lautstärkeregler anzusteuern, zeigt sich eine 1/8-Ohm-Änderung des Wischerwiderstands in der Signal. Böse. Wenn man einen 50: 1-Aufwärtstransformator verwenden würde, um die Spannung von 1 V 1 / 8A auf 50 V 1 / 400A zu skalieren, bevor sie durch einen 500-Ohm-Topf geleitet wird, würde sich eine 1-Ohm-Variation des Wischerwiderstands als manifestieren eine 1/400-Volt-Änderung des Signals am Topf; Wird es durch einen 1:50-Abwärtstransformator geleitet, um einen Lautsprecher anzutreiben, erscheint es dort als 1 / 20.000-Volt-Signal (2.500-fache Reduzierung im Vergleich zur direkten Steuerung des Lautsprechers). Eine wesentliche Verbesserung.

Um den Effekt eines "reibungslosen Topfes" zu erzielen, können Sie einen digitalen Topf (oder etwas Ähnliches) mit einem berührungslosen Messwerkzeug steuern.

Sie können beispielsweise eines dieser Sonarmodule erwerben und einen D-Pot steuern, indem Sie den Abstand zwischen dem Sensor und dem sich bewegenden Ziel, der berührungslos mit dem Sonar gemessen wird, in einen Widerstand (oder eine Wischerposition) auf dem D-Pot umwandeln.