電位器的完整指南

　　作者：CUI Devices 應(yīng)用工程和運動控制副總裁 Jeff Smoot

　　電位器，通常稱為“電位器”，是電氣工程領(lǐng)域的基本組件。這些多功能設(shè)備在控制和測量電信號方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在電路和與之交互的物理世界之間提供動態(tài)接口。從音頻系統(tǒng)到機器人技術(shù)，電位器在眾多應(yīng)用中找到了用途，使其成為該領(lǐng)域不可或缺的資產(chǎn)。

　　本文將從電位器的基本原理、構(gòu)造和內(nèi)部工作原理入手，進(jìn)一步探討電位器。然后，它將討論可用的各種類型的電位器、電位器、變阻器和編碼器之間的區(qū)別，以及關(guān)鍵的設(shè)計注意事項和規(guī)范。

　　電位器基礎(chǔ)知識

　　電位器作為基于電阻器的組件，具有允許手動改變其電阻的機械調(diào)節(jié)機制。與保持恒定電阻值的固定電阻器相比，電位器充當(dāng)可變電阻器。

　　這些設(shè)備用作分壓器，具有調(diào)節(jié)電路內(nèi)電壓輸出和精確測量電勢的雙重目的，因此它們被稱為電位器。通過調(diào)整游標(biāo)沿電阻元件的位置，電位器產(chǎn)生連續(xù)可變的電壓輸出信號。值得注意的是，電位器是無源元件，這意味著它們不需要電源或額外的電路即可運行。

　　圖 1：旋轉(zhuǎn)電位器的典型內(nèi)部工作原理。 (圖片來源：CUI Devices)

　　物體的阻力取決于多種因素，其中一個關(guān)鍵因素是它的長度。當(dāng)所有其他參數(shù)保持不變時，物體的電阻與其長度成正比。這意味著由相同材料制成并具有相同橫截面積但長度為 20 厘米的物體將表現(xiàn)出長度為 40 厘米的物體的一半電阻。電位器利用這一原理來實現(xiàn)可調(diào)輸出。

　　電位器的可調(diào)輸出是通過改變滑動觸點沿均勻電阻元件的線性或旋轉(zhuǎn)位置來實現(xiàn)的，從而改變電流流動的路徑。輸入電壓施加在電阻元件的整個長度上，而輸出電壓作為固定電阻元件與滑動或旋轉(zhuǎn)觸點之間的電位降獲得?？梢苿佑|點沿電阻元件的位置決定了輸入電壓施加到電路的程度。

　　值得注意的是，電位器通常不用于直接控制超過瓦特的功率。這種限制源于這樣一個事實，即設(shè)備本身需要耗散輸入功率，從而導(dǎo)致產(chǎn)生過多的熱量。相反，電位計用于調(diào)整其他組件使用的模擬信號，以調(diào)節(jié)功率。例如，基本的調(diào)光器利用電位計來控制 TRIAC(交流三極管)，從而改變燈光的亮度。

　　電位器類型

　　電位計有兩種主要形式：模擬和數(shù)字。本文的主要重點是模擬電位器，它依靠機械元件來操縱和控制輸出。模擬電位器進(jìn)一步分為線性和旋轉(zhuǎn)形式。

　　旋轉(zhuǎn)電位器利用連接到滑動元件的旋轉(zhuǎn)旋鈕和軸促進(jìn)的角運動。該滑動器元件沿電阻元件滑動，允許電阻發(fā)生變化并隨后調(diào)整輸出。通過轉(zhuǎn)動軸，可以相應(yīng)地改變阻力和輸出。此外，還有無軸電位器，使用螺絲刀等外部工具移動滑動器，無需物理軸。這些通常稱為微調(diào)電位器或微調(diào)器。

　　另一方面，線性電位器通過滑動機制采用線性或直線運動來建立與電阻元件的接觸。這種線性運動可以改變電阻并隨后調(diào)整輸出。

　　圖 2：比較線性和旋轉(zhuǎn)電位器。 (圖片來源：CUI Devices)

　　與模擬電位器相比，數(shù)字或電子電位器依靠數(shù)字信號來控制輸出，無需機械運動。

　　電位器與變阻器和編碼器

　　從本質(zhì)上講，電位器和變阻器之間的主要區(qū)別在于它們的預(yù)期應(yīng)用和端子配置。電位器是一種主要用于電壓控制的三端器件，而變阻器是一種設(shè)計用于電流控制的二端器件。但是，值得注意的是，電位計可以通過不連接一個端子來用作變阻器。

　　相比之下，變阻器專門設(shè)計用于調(diào)節(jié)電路中的電流。它們通常具有兩個端子，具有高功率和繞線結(jié)構(gòu)的特點。變阻器通常用于高電流應(yīng)用，以控制流向燈和電機等設(shè)備的電流。它們包含重型線圈，可通過調(diào)整滑動元件沿電阻元件的位置來增加電阻的變化。與電位計不同，變阻器是根據(jù)其功率處理能力而非電阻值指定的。

　　圖 3：電位器和變阻器電路圖。 (圖片來源：CUI Devices)

　　接下來，當(dāng)談到旋轉(zhuǎn)編碼器和電位器時，它們可能都檢測到軸的旋轉(zhuǎn)，但它們的工作原理不同，具有不同程度的復(fù)雜性，并且需要不同的設(shè)置。下面深入探討這兩種設(shè)備的區(qū)別：

　　工作原理：

　　電位器：電位器主要是模擬設(shè)備，盡管確實存在數(shù)字變體。它們依靠軸旋轉(zhuǎn)時電阻的變化來指示位置或調(diào)整電壓水平。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器：旋轉(zhuǎn)編碼器是使用二進(jìn)制邏輯編碼和傳輸軸的角位置或運動作為數(shù)字信號的數(shù)字設(shè)備。它們通常采用電容、光學(xué)或磁感應(yīng)技術(shù)。

　　設(shè)置復(fù)雜性：

　　電位器：電位器通常提供更簡單的設(shè)置和連接過程。它們可以很容易地集成到電路中，而無需復(fù)雜的信號調(diào)節(jié)。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器：旋轉(zhuǎn)編碼器是數(shù)字設(shè)備，需要額外的電路，例如信號調(diào)節(jié)、解碼和接口組件，以處理和解釋數(shù)字輸出信號。

　　輸入范圍和分辨率：

　　電位器：由于其模擬特性，電位器允許無限可變輸入。它們提供平滑且連續(xù)的值范圍，從而實現(xiàn)精確控制。它們還可以非線性方式分壓，提供定制的響應(yīng)曲線。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器：旋轉(zhuǎn)編碼器可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)，提供分辨率極佳的反饋。它們以數(shù)字格式提供精確的位置或運動信息，允許高分辨率控制和反饋。它們在需要精確電機控制或位置精度的應(yīng)用中特別有利。

　　應(yīng)用注意事項：

　　電位器：電位器通常用于需要模擬控制的應(yīng)用，例如音頻系統(tǒng)中的音量調(diào)節(jié)或校準(zhǔn)過程中的微調(diào)。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器：旋轉(zhuǎn)編碼器在工業(yè)、自動化和機器人應(yīng)用中受到青睞，在這些應(yīng)用中，精確的數(shù)字反饋、高分辨率和精確的位置感測至關(guān)重要。它們在需要精確角度測量的電機控制系統(tǒng)和應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

　　電位器錐度

　　電位器錐度是指電阻如何隨著設(shè)備的電樞旋轉(zhuǎn)或滑動器沿電阻元件滑動而變化。電位器錐度主要有兩種類型：線性和對數(shù)(也稱為音頻錐度)。

　　在具有線性錐度的電位器中，電樞位置和電阻之間的關(guān)系是線性的。這意味著當(dāng)銜鐵或滑塊處于中間位置時，可變電阻是電位器滿量程電阻的一半。線性錐度電位器在整個運動范圍內(nèi)提供均勻的電阻變化。

　　對數(shù)錐度電位器提供非線性響應(yīng)，模擬人耳對聲音的對數(shù)靈敏度。這種錐形通常用于音頻設(shè)備，例如音量控制，以實現(xiàn)更平衡的音量調(diào)節(jié)感知。對于對數(shù)錐度，旋轉(zhuǎn)早期的微小變化會導(dǎo)致音量發(fā)生更顯著的變化，而旋轉(zhuǎn)后期的較大變化會產(chǎn)生較小的音量調(diào)整。此外，還提供反對數(shù)電位計，主要用于逆時針方向的音頻控制。

　　其他主要規(guī)格

　　以下是選擇電位器時需要考慮的其他一些關(guān)鍵參數(shù)：

　　電阻：表示電阻元件從一個端子到另一個端子的整個長度上的電阻。例如，如果電位計的額定值為 2 kΩ(千歐)，則表示其軌道兩端的電阻相當(dāng)于一個值為 2 kΩ 的固定電阻器。

　　額定功率：最大額定功率表示電位器可以處理的功率量，以防止過熱或故障。

　　分辨率：是指電位器的電阻增量變化的精度。它通常表示為總電阻的百分比，表示電阻元件上滑動器每次增量移動時可檢測到的最小電阻變化。

　　滑動噪聲：電位器內(nèi)部接觸件運動過程中產(chǎn)生的電子噪聲。這種噪聲會干擾所需信號的準(zhǔn)確性或引入不需要的偽像。

　　溫度系數(shù)：表示電位器的電阻如何隨工作溫度的變化而變化。具有較低溫度系數(shù)的電位器可在較寬的溫度范圍內(nèi)提供更穩(wěn)定的電阻值，確保在不同的熱條件下保持一致的性能。

　　機械壽命：電位計在保持其性能規(guī)格的同時可以承受的循環(huán)次數(shù)方面的預(yù)期壽命。

　　結(jié)論

　　電位計具有一系列優(yōu)勢，包括設(shè)計簡單、價格適中、電阻范圍寬、易于操作和經(jīng)過驗證的技術(shù)。它們是電子和電氣系統(tǒng)中電壓控制、測量和線性或旋轉(zhuǎn)運動精確傳感的可靠設(shè)備。然而，重要的是要考慮它們的局限性，例如有限的帶寬、電流處理能力、機械磨損和潛在的電氣噪聲產(chǎn)生。

　　話雖如此，它們的廣泛使用歸功于它們的可靠性和滿足不同需求的能力。 CUI Devices 提供全面的旋轉(zhuǎn)電位器和微調(diào)電位器選擇，以滿足不同項目的特定需求。