电位器的完整指南

　　作者：CUI Devices 应用工程和运动控制副总裁 Jeff Smoot

　　电位器，通常称为“电位器”，是电气工程领域的基本组件。这些多功能设备在控制和测量电信号方面发挥着关键作用，在电路和与之交互的物理世界之间提供动态接口。从音频系统到机器人技术，电位器在众多应用中找到了用途，使其成为该领域不可或缺的资产。

　　本文将从电位器的基本原理、构造和内部工作原理入手，进一步探讨电位器。然后，它将讨论可用的各种类型的电位器、电位器、变阻器和编码器之间的区别，以及关键的设计注意事项和规范。

　　电位器基础知识

　　电位器作为基于电阻器的组件，具有允许手动改变其电阻的机械调节机制。与保持恒定电阻值的固定电阻器相比，电位器充当可变电阻器。

　　这些设备用作分压器，具有调节电路内电压输出和精确测量电势的双重目的，因此它们被称为电位器。通过调整游标沿电阻元件的位置，电位器产生连续可变的电压输出信号。值得注意的是，电位器是无源元件，这意味着它们不需要电源或额外的电路即可运行。

　　图 1：旋转电位器的典型内部工作原理。 (图片来源：CUI Devices)

　　物体的阻力取决于多种因素，其中一个关键因素是它的长度。当所有其他参数保持不变时，物体的电阻与其长度成正比。这意味着由相同材料制成并具有相同横截面积但长度为 20 厘米的物体将表现出长度为 40 厘米的物体的一半电阻。电位器利用这一原理来实现可调输出。

　　电位器的可调输出是通过改变滑动触点沿均匀电阻元件的线性或旋转位置来实现的，从而改变电流流动的路径。输入电压施加在电阻元件的整个长度上，而输出电压作为固定电阻元件与滑动或旋转触点之间的电位降获得。可移动触点沿电阻元件的位置决定了输入电压施加到电路的程度。

　　值得注意的是，电位器通常不用于直接控制超过瓦特的功率。这种限制源于这样一个事实，即设备本身需要耗散输入功率，从而导致产生过多的热量。相反，电位计用于调整其他组件使用的模拟信号，以调节功率。例如，基本的调光器利用电位计来控制 TRIAC(交流三极管)，从而改变灯光的亮度。

　　电位器类型

　　电位计有两种主要形式：模拟和数字。本文的主要重点是模拟电位器，它依靠机械元件来操纵和控制输出。模拟电位器进一步分为线性和旋转形式。

　　旋转电位器利用连接到滑动元件的旋转旋钮和轴促进的角运动。该滑动器元件沿电阻元件滑动，允许电阻发生变化并随后调整输出。通过转动轴，可以相应地改变阻力和输出。此外，还有无轴电位器，使用螺丝刀等外部工具移动滑动器，无需物理轴。这些通常称为微调电位器或微调器。

　　另一方面，线性电位器通过滑动机制采用线性或直线运动来建立与电阻元件的接触。这种线性运动可以改变电阻并随后调整输出。

　　图 2：比较线性和旋转电位器。 (图片来源：CUI Devices)

　　与模拟电位器相比，数字或电子电位器依靠数字信号来控制输出，无需机械运动。

　　电位器与变阻器和编码器

　　从本质上讲，电位器和变阻器之间的主要区别在于它们的预期应用和端子配置。电位器是一种主要用于电压控制的三端器件，而变阻器是一种设计用于电流控制的二端器件。但是，值得注意的是，电位计可以通过不连接一个端子来用作变阻器。

　　相比之下，变阻器专门设计用于调节电路中的电流。它们通常具有两个端子，具有高功率和绕线结构的特点。变阻器通常用于高电流应用，以控制流向灯和电机等设备的电流。它们包含重型线圈，可通过调整滑动元件沿电阻元件的位置来增加电阻的变化。与电位计不同，变阻器是根据其功率处理能力而非电阻值指定的。

　　图 3：电位器和变阻器电路图。 (图片来源：CUI Devices)

　　接下来，当谈到旋转编码器和电位器时，它们可能都检测到轴的旋转，但它们的工作原理不同，具有不同程度的复杂性，并且需要不同的设置。下面深入探讨这两种设备的区别：

　　工作原理：

　　电位器：电位器主要是模拟设备，尽管确实存在数字变体。它们依靠轴旋转时电阻的变化来指示位置或调整电压水平。

　　旋转编码器：旋转编码器是使用二进制逻辑编码和传输轴的角位置或运动作为数字信号的数字设备。它们通常采用电容、光学或磁感应技术。

　　设置复杂性：

　　电位器：电位器通常提供更简单的设置和连接过程。它们可以很容易地集成到电路中，而无需复杂的信号调节。

　　旋转编码器：旋转编码器是数字设备，需要额外的电路，例如信号调节、解码和接口组件，以处理和解释数字输出信号。

　　输入范围和分辨率：

　　电位器：由于其模拟特性，电位器允许无限可变输入。它们提供平滑且连续的值范围，从而实现精确控制。它们还可以非线性方式分压，提供定制的响应曲线。

　　旋转编码器：旋转编码器可以连续旋转，提供分辨率极佳的反馈。它们以数字格式提供精确的位置或运动信息，允许高分辨率控制和反馈。它们在需要精确电机控制或位置精度的应用中特别有利。

　　应用注意事项：

　　电位器：电位器通常用于需要模拟控制的应用，例如音频系统中的音量调节或校准过程中的微调。

　　旋转编码器：旋转编码器在工业、自动化和机器人应用中受到青睐，在这些应用中，精确的数字反馈、高分辨率和精确的位置感测至关重要。它们在需要精确角度测量的电机控制系统和应用中表现出色。

　　电位器锥度

　　电位器锥度是指电阻如何随着设备的电枢旋转或滑动器沿电阻元件滑动而变化。电位器锥度主要有两种类型：线性和对数(也称为音频锥度)。

　　在具有线性锥度的电位器中，电枢位置和电阻之间的关系是线性的。这意味着当衔铁或滑块处于中间位置时，可变电阻是电位器满量程电阻的一半。线性锥度电位器在整个运动范围内提供均匀的电阻变化。

　　对数锥度电位器提供非线性响应，模拟人耳对声音的对数灵敏度。这种锥形通常用于音频设备，例如音量控制，以实现更平衡的音量调节感知。对于对数锥度，旋转早期的微小变化会导致音量发生更显着的变化，而旋转后期的较大变化会产生较小的音量调整。此外，还提供反对数电位计，主要用于逆时针方向的音频控制。

　　其他主要规格

　　以下是选择电位器时需要考虑的其他一些关键参数：

　　电阻：表示电阻元件从一个端子到另一个端子的整个长度上的电阻。例如，如果电位计的额定值为 2 kΩ(千欧)，则表示其轨道两端的电阻相当于一个值为 2 kΩ 的固定电阻器。

　　额定功率：最大额定功率表示电位器可以处理的功率量，以防止过热或故障。

　　分辨率：是指电位器的电阻增量变化的精度。它通常表示为总电阻的百分比，表示电阻元件上滑动器每次增量移动时可检测到的最小电阻变化。

　　滑动噪声：电位器内部接触件运动过程中产生的电子噪声。这种噪声会干扰所需信号的准确性或引入不需要的伪像。

　　温度系数：表示电位器的电阻如何随工作温度的变化而变化。具有较低温度系数的电位器可在较宽的温度范围内提供更稳定的电阻值，确保在不同的热条件下保持一致的性能。

　　机械寿命：电位计在保持其性能规格的同时可以承受的循环次数方面的预期寿命。

　　结论

　　电位计具有一系列优势，包括设计简单、价格适中、电阻范围宽、易于操作和经过验证的技术。它们是电子和电气系统中电压控制、测量和线性或旋转运动精确传感的可靠设备。然而，重要的是要考虑它们的局限性，例如有限的带宽、电流处理能力、机械磨损和潜在的电气噪声产生。

　　话虽如此，它们的广泛使用归功于它们的可靠性和满足不同需求的能力。 CUI Devices 提供全面的旋转电位器和微调电位器选择，以满足不同项目的特定需求。