電位計完全指南

作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應用工程和運動控制部門副總裁

[電位計]，通常被稱為“電位器”，是電氣工程領域的基本元件。這些多功能器件在控制和測量電信號方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，在電路和與之互動的物理世界之間提供了一個動態(tài)接口。從音響系統(tǒng)到機器人，電位計在眾多的應用中都能找到它們的用處，使之成為這些領域中不可或缺的一環(huán)。

本文將從其基本原理、結(jié)構(gòu)和內(nèi)部工作方式著手，對電位計進行詳細探討。隨后將討論現(xiàn)有的各種電位計類型、電位計、變阻器和編碼器之間的差異，以及關鍵的設計考慮因素和規(guī)格。

電位計基礎知識

電位計作為電阻型元件，會有一個機械調(diào)節(jié)機構(gòu)，可以手動改變其電阻。與保持恒定阻值的定值電阻器相比，電位計充當是可變電阻角色。

這些器件作為分壓器使用時，可實現(xiàn)電路中電壓輸出調(diào)節(jié)和電動勢精確測量雙重目的，因此被稱為電位計。通過沿著電阻元件調(diào)整滑片的位置，電位計可產(chǎn)生一個連續(xù)可變的電壓輸出信號。值得注意的是，電位計是無源元件，這意味著它們不需要電源或額外的電路來操作。

圖 1：旋轉(zhuǎn)電位計的典型內(nèi)部工作方式。（圖片來源：[CUI Devices]）

一個物體的電阻取決于各種因素，其中一個關鍵因素是其長度。當所有其他參數(shù)保持不變時，一個物體的電阻與其長度成正比。這表示，如果一個物體測量長度為 20 厘米，其電阻將為由相同材料和相同橫截面積制成的長度為 40 厘米的物體的一半。電位計正是利用這一原理來實現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)的。

電位計的可調(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，因此也改變了電流流經(jīng)的路徑。輸入電壓施加在電阻元件的整個長度上，而輸出電壓則取決于固定電阻元件和滑動或旋轉(zhuǎn)觸點之間的電壓降?？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，功率超過一瓦時，通常不采用電位計來直接控制。這種限制是由于器件本身需要耗散輸入的功率，功率過大會導致產(chǎn)生過多的熱量。相反，電位計被用來調(diào)整其他組件所利用的模擬信號，來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。舉例子來說，基本型調(diào)光器會利用電位計來控制 TRIAC（交流三極管），后都則可直接對燈光亮度進行調(diào)節(jié)。

電位計類型

電位計有兩種主要形式：模擬式和數(shù)字式。本文主要重點是依靠機械元件來操縱和控制輸出的模擬電位計。模擬電位計進一步分為線性式和旋轉(zhuǎn)式。

旋轉(zhuǎn)電位計利用旋轉(zhuǎn)的旋鈕和軸來實現(xiàn)角度移動，而這些旋鈕和軸會連接到一個滑片元件。這個滑片元件沿著電阻元件滑動，從而改變電阻并隨之調(diào)整輸出。因此通過轉(zhuǎn)動軸，可以相應地改變電阻和輸出。此外，還有一些無軸電位計，其中使用外部工具（如螺絲刀）移動滑片，消除了對物理軸的需求。這些通常被稱為微調(diào)電位計或微調(diào)器。

另一方面，線性電位計采用線性或直線運動，通過滑動機構(gòu)與電阻元件建立接觸。這種線性運動能夠?qū)崿F(xiàn)電阻的變化以及隨后對輸出的調(diào)整。

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

與模擬電位計相比，數(shù)字或電子電位計依靠數(shù)字信號來控制輸出，消除了對機械運動的需求。

電位計與變阻器和編碼器之比較

從本質(zhì)上講，電位計和變阻器的主要區(qū)別在于其預期應用和終端配置。電位計是一種三端器件，主要用于電壓控制，而變阻器是一種兩端器件，用于電流控制。當然，值得注意的是，電位計可以通過留下一個端子不連接而作為變阻器使用。

相比之下，變阻器是專門設計來調(diào)節(jié)電路中的電流流動的。它們通常有兩個端子，其特點是高瓦特和繞線結(jié)構(gòu)。變阻器通常用于大電流應用，以控制流向燈具和電機等設備的電流。它們包含了重型導線線圈，通過調(diào)整滑動元件沿電阻元件的位置來實現(xiàn)電阻的增量變化。與電位計不同，變阻器是根據(jù)其功率處理能力而不是其電阻值來標示的。

圖 3：電位計和變阻器電路圖。（圖片來源：CUI Devices）

接下來，我們來看看旋轉(zhuǎn)編碼器和電位計。這兩種器件可能都感應到軸的旋轉(zhuǎn)，但它們的工作原理不同，擁有不同的復雜程度，并需要不同的設置。下面將深入探討這兩種器件之間的差異：

1. 工作原理：
   • 電位計：電位計主要是模擬器件，盡管也有數(shù)字變體。它們依靠軸旋轉(zhuǎn)時的電阻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]是使用二進制邏輯對軸的角度位置或運動進行編碼并以數(shù)字信號形式傳輸出去的數(shù)字裝置。它們通常采用[電容、光學或磁感應技術]。
2. 設置的復雜性：
   • 電位計：電位計的設置和連接過程通常更簡單。它們可以很容易地集成到電路中，而不需要復雜的信號調(diào)節(jié)。
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器：旋轉(zhuǎn)編碼器作為數(shù)字器件，需要額外的電路，如信號調(diào)節(jié)、解碼和接口元件，以處理和解釋數(shù)字輸出信號。
3. 輸入范圍和分辨率：
   • 電位計：電位計由于其模擬性質(zhì)，可以實現(xiàn)輸出的無級調(diào)整。它們提供了一個平滑、連續(xù)的數(shù)值范圍，可實現(xiàn)精確控制。它們還可以以非線性方式調(diào)節(jié)電壓，實現(xiàn)定制響應曲線。
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器：旋轉(zhuǎn)編碼器可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)，提供分辨率出色的反饋。它們以數(shù)字格式提供精確的位置或運動信息，允許進行高分辨率的控制和反饋。它們在需要精確的電機控制或位置精度的應用中特別有優(yōu)勢。
4. 應用方面的考慮：
   • 電位計：電位計通常用于需要模擬控制的應用，如音頻系統(tǒng)的音量調(diào)節(jié)或校準過程中的微調(diào)。
   • 旋轉(zhuǎn)編碼器：旋轉(zhuǎn)編碼器在工業(yè)、自動化和機器人應用中很受歡迎，在這些應用中，精確的數(shù)字反饋、高分辨率和準確的位置感應是至關重要的。它們在電機控制系統(tǒng)和需要精確角度測量的應用中表現(xiàn)出色。

電位計錐度

電位計錐度指的是當器件的電樞旋轉(zhuǎn)或滑片沿電阻元件滑動時，電阻如何變化。電位計錐度有兩種主要類型：線性和對數(shù)（也稱為音頻錐度）。

在采用線性錐度的電位計中，電樞位置與電阻之間的關系是線性的。這表示，當電樞或滑塊處于中間位置時，可變電阻是電位計滿刻度電阻的一半。線性錐度電位計在整個運動范圍內(nèi)提供均勻的電阻變化。

對數(shù)錐度電位計提供了一種非線性響應，模仿人耳對聲音的對數(shù)敏感性。這種錐度通常用于音頻器件，如音量控制器，以實現(xiàn)更平衡的音量調(diào)節(jié)感覺。在對數(shù)錐度的情況下，旋轉(zhuǎn)初期的小變化會導致音量的較大變化，而旋轉(zhuǎn)后期的大變化會產(chǎn)生較小的音量調(diào)整。此外，還有反對數(shù)電位計，主要用于以逆時針方式運作的音頻控制。

其他關鍵規(guī)格

以下是選擇電位計時需要考慮的一些其他關鍵參數(shù)：

• 電阻：代表電阻元件從一個端子到另一個端子在整個長度上的電阻。例如，如果一個電位計的額定值為 2 kΩ（千歐），這表示其整個導軌電阻相當于一個阻值為 2 kΩ 的定值電阻器。
• 額定功率：最大額定功率表示電位計能夠處理的最大功率，以防止過熱或故障。
• 分辨率：指的是電位計在電阻增量變化方面的精度。它通常以總電阻的百分比來表示，并代表電阻元件上的滑片每增加一個移動量所能檢測到的最小的電阻變化。
• 滑動噪聲：電位計內(nèi)部接觸部件運動時產(chǎn)生的電子噪聲。這種噪聲會干擾所需信號的準確性，或引入不需要的偽影。
• 溫度系數(shù)：表示電位計的電阻可能隨著工作溫度的變化而變化。具有較低溫度系數(shù)的電位計在較寬的溫度范圍內(nèi)提供更穩(wěn)定的電阻值，確保了在不同的熱條件下性能一致。
• 機械壽命：電位計的預期壽命，即在保持其性能規(guī)格情況下可承受的轉(zhuǎn)動次數(shù)。

結(jié)語

電位計具有一系列優(yōu)勢，包括設計簡單、價格低廉、電阻范圍大、操作簡便和技術成熟。它們作為可靠的器件，在電子和電氣系統(tǒng)中對線性或旋轉(zhuǎn)運動進行電壓控制、測量和精確感應。當然，考慮其局限性也很重要，如要考慮其有限帶寬、電流處理能力、機械磨損和潛在的電噪聲。

盡管如此，因其出色可靠性和能夠滿足不同要求的能力，使它們得以廣泛使用。CUI Devices 提供全系列[旋轉(zhuǎn)電位計]和[微調(diào)電位計]選擇，可滿足不同項目的特定要求。