電位器的完整指南

　　作者：CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)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(cè)量電信號(hào)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(dòng)態(tài)接口。從音頻系統(tǒng)到機(jī)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(jì)注意事項(xiàng)和規(guī)范。

　　電位器基礎(chǔ)知識(shí)

　　電位器作為基于電阻器的組件，具有允許手動(dòng)改變其電阻的機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)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(cè)量電勢(shì)的雙重目的，因此它們被稱為電位器。通過(guò)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(hào)。值得注意的是，電位器是無(wú)源元件，這意味著它們不需要電源或額外的電路即可運(yùn)行。

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

　　物體的阻力取決于多種因素，其中一個(gè)關(guān)鍵因素是它的長(zhǎng)度。當(dāng)所有其他參數(shù)保持不變時(shí)，物體的電阻與其長(zhǎng)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(zhǎng)度為 20 厘米的物體將表現(xiàn)出長(zhǎng)度為 40 厘米的物體的一半電阻。電位器利用這一原理來(lái)實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸出。

　　電位器的可調(diào)輸出是通過(guò)改變滑動(dòng)觸點(diǎn)沿均勻電阻元件的線性或旋轉(zhuǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而改變電流流動(dòng)的路徑。輸入電壓施加在電阻元件的整個(gè)長(zhǎng)度上，而輸出電壓作為固定電阻元件與滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)觸點(diǎn)之間的電位降獲得。可移動(dòng)觸點(diǎn)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(guò)瓦特的功率。這種限制源于這樣一個(gè)事實(shí)，即設(shè)備本身需要耗散輸入功率，從而導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)多的熱量。相反，電位計(jì)用于調(diào)整其他組件使用的模擬信號(hào)，以調(diào)節(jié)功率。例如，基本的調(diào)光器利用電位計(jì)來(lái)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(jì)有兩種主要形式：模擬和數(shù)字。本文的主要重點(diǎn)是模擬電位器，它依靠機(jī)械元件來(lái)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(dòng)元件的旋轉(zhuǎn)旋鈕和軸促進(jìn)的角運(yùn)動(dòng)。該滑動(dòng)器元件沿電阻元件滑動(dòng)，允許電阻發(fā)生變化并隨后調(diào)整輸出。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，可以相應(yīng)地改變阻力和輸出。此外，還有無(wú)軸電位器，使用螺絲刀等外部工具移動(dòng)滑動(dòng)器，無(wú)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(guò)滑動(dòng)機(jī)制采用線性或直線運(yùn)動(dòng)來(lái)建立與電阻元件的接觸。這種線性運(yùn)動(dòng)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(lái)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(hào)來(lái)控制輸出，無(wú)需機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

　　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(jì)用于電流控制的二端器件。但是，值得注意的是，電位計(jì)可以通過(guò)不連接一個(gè)端子來(lái)用作變阻器。

　　相比之下，變阻器專門(mén)設(shè)計(jì)用于調(diào)節(jié)電路中的電流。它們通常具有兩個(gè)端子，具有高功率和繞線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。變阻器通常用于高電流應(yīng)用，以控制流向燈和電機(jī)等設(shè)備的電流。它們包含重型線圈，可通過(guò)調(diào)整滑動(dòng)元件沿電阻元件的位置來(lái)增加電阻的變化。與電位計(jì)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(lái)源：CUI Devices)

　　接下來(lái)，當(dāng)談到旋轉(zhuǎn)編碼器和電位器時(shí)，它們可能都檢測(cè)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(shí)存在數(shù)字變體。它們依靠軸旋轉(zhuǎn)時(shí)電阻的變化來(lái)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(yùn)動(dòng)作為數(shù)字信號(hào)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(jiǎn)單的設(shè)置和連接過(guò)程。它們可以很容易地集成到電路中，而無(wú)需復(fù)雜的信號(hào)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(hào)調(diào)節(jié)、解碼和接口組件，以處理和解釋數(shù)字輸出信號(hào)。

　　輸入范圍和分辨率：

　　電位器：由于其模擬特性，電位器允許無(wú)限可變輸入。它們提供平滑且連續(xù)的值范圍，從而實(shí)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(yùn)動(dòng)信息，允許高分辨率控制和反饋。它們?cè)谛枰_電機(jī)控制或位置精度的應(yīng)用中特別有利。

　　應(yīng)用注意事項(xiàng)：

　　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(guò)程中的微調(diào)。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器：旋轉(zhuǎn)編碼器在工業(yè)、自動(dòng)化和機(jī)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(cè)至關(guān)重要。它們?cè)谛枰_角度測(cè)量的電機(jī)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(dòng)器沿電阻元件滑動(dòng)而變化。電位器錐度主要有兩種類型：線性和對(duì)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(shí)，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(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)提供均勻的電阻變化。

　　對(duì)數(shù)錐度電位器提供非線性響應(yīng)，模擬人耳對(duì)聲音的對(duì)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(shí)現(xiàn)更平衡的音量調(diào)節(jié)感知。對(duì)于對(duì)數(shù)錐度，旋轉(zhuǎn)早期的微小變化會(huì)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(huì)產(chǎn)生較小的音量調(diào)整。此外，還提供反對(duì)數(shù)電位計(jì)，主要用于逆時(shí)針?lè)较虻囊纛l控制。

　　其他主要規(guī)格

　　以下是選擇電位器時(shí)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(gè)端子到另一個(gè)端子的整個(gè)長(zhǎng)度上的電阻。例如，如果電位計(jì)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(gè)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(guò)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(dòng)器每次增量移動(dòng)時(shí)可檢測(cè)到的最小電阻變化。

　　滑動(dòng)噪聲：電位器內(nèi)部接觸件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電子噪聲。這種噪聲會(huì)干擾所需信號(hào)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(jī)械壽命：電位計(jì)在保持其性能規(guī)格的同時(shí)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(jì)具有一系列優(yōu)勢(shì)，包括設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格適中、電阻范圍寬、易于操作和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)。它們是電子和電氣系統(tǒng)中電壓控制、測(cè)量和線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(jī)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(xiàng)目的特定需求。