电位计完全指南

来源：Digi-Key
作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 应用工程和运动控制部门副总裁

电位计，通常被称为“电位器”，是电气工程领域的基本元件。这些多功能器件在控制和测量电信号方面发挥着举足轻重的作用，在电路和与之互动的物理世界之间提供了一个动态接口。从音响系统到机器人，电位计在众多的应用中都能找到它们的用处，使之成为这些领域中不可或缺的一环。

本文将从其基本原理、结构和内部工作方式着手，对电位计进行详细探讨。随后将讨论现有的各种电位计类型、电位计、变阻器和编码器之间的差异，以及关键的设计考虑因素和规格。

电位计基础知识

电位计作为电阻型元件，会有一个机械调节机构，可以手动改变其电阻。与保持恒定阻值的定值电阻器相比，电位计充当是可变电阻角色。

这些器件作为分压器使用时，可实现电路中电压输出调节和电动势精确测量双重目的，因此被称为电位计。通过沿着电阻元件调整滑片的位置，电位计可产生一个连续可变的电压输出信号。值得注意的是，电位计是无源元件，这意味着它们不需要电源或额外的电路来操作。


图 1：旋转电位计的典型内部工作方式。（图片来源：CUI Devices）

一个物体的电阻取决于各种因素，其中一个关键因素是其长度。当所有其他参数保持不变时，一个物体的电阻与其长度成正比。这表示，如果一个物体测量长度为 20 厘米，其电阻将为由相同材料和相同横截面积制成的长度为 40 厘米的物体的一半。电位计正是利用这一原理来实现输出调节的。

电位计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，因此也改变了电流流经的路径。输入电压施加在电阻元件的整个长度上，而输出电压则取决于固定电阻元件和滑动或旋转触点之间的电压降。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，功率超过一瓦时，通常不采用电位计来直接控制。这种限制是由于器件本身需要耗散输入的功率，功率过大会导致产生过多的热量。相反，电位计被用来调整其他组件所利用的模拟信号，来实现功率调节。举例子来说，基本型调光器会利用电位计来控制 TRIAC（交流三极管），后都则可直接对灯光亮度进行调节。

电位计类型

电位计有两种主要形式：模拟式和数字式。本文主要重点是依靠机械元件来操纵和控制输出的模拟电位计。模拟电位计进一步分为线性式和旋转式。

旋转电位计利用旋转的旋钮和轴来实现角度移动，而这些旋钮和轴会连接到一个滑片元件。这个滑片元件沿着电阻元件滑动，从而改变电阻并随之调整输出。因此通过转动轴，可以相应地改变电阻和输出。此外，还有一些无轴电位计，其中使用外部工具（如螺丝刀）移动滑片，消除了对物理轴的需求。这些通常被称为微调电位计或微调器。

另一方面，线性电位计采用线性或直线运动，通过滑动机构与电阻元件建立接触。这种线性运动能够实现电阻的变化以及随后对输出的调整。


图 2：比较线性和旋转电位计。（图片来源：CUI Devices）

与模拟电位计相比，数字或电子电位计依靠数字信号来控制输出，消除了对机械运动的需求。

电位计与变阻器和编码器之比较

从本质上讲，电位计和变阻器的主要区别在于其预期应用和终端配置。电位计是一种三端器件，主要用于电压控制，而变阻器是一种两端器件，用于电流控制。当然，值得注意的是，电位计可以通过留下一个端子不连接而作为变阻器使用。

相比之下，变阻器是专门设计来调节电路中的电流流动的。它们通常有两个端子，其特点是高瓦特和绕线结构。变阻器通常用于大电流应用，以控制流向灯具和电机等设备的电流。它们包含了重型导线线圈，通过调整滑动元件沿电阻元件的位置来实现电阻的增量变化。与电位计不同，变阻器是根据其功率处理能力而不是其电阻值来标示的。


图 3：电位计和变阻器电路图。（图片来源：CUI Devices）

接下来，我们来看看旋转编码器和电位计。这两种器件可能都感应到轴的旋转，但它们的工作原理不同，拥有不同的复杂程度，并需要不同的设置。下面将深入探讨这两种器件之间的差异：

1、工作原理：
· 电位计：电位计主要是模拟器件，尽管也有数字变体。它们依靠轴旋转时的电阻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对轴的角度位置或运动进行编码并以数字信号形式传输出去的数字装置。它们通常采用电容、光学或磁感应技术。

2、设置的复杂性：
· 电位计：电位计的设置和连接过程通常更简单。它们可以很容易地集成到电路中，而不需要复杂的信号调节。
· 旋转编码器：旋转编码器作为数字器件，需要额外的电路，如信号调节、解码和接口元件，以处理和解释数字输出信号。

3、输入范围和分辨率：
· 电位计：电位计由于其模拟性质，可以实现输出的无级调整。它们提供了一个平滑、连续的数值范围，可实现精确控制。它们还可以以非线性方式调节电压，实现定制响应曲线。
· 旋转编码器：旋转编码器可以连续旋转，提供分辨率出色的反馈。它们以数字格式提供精确的位置或运动信息，允许进行高分辨率的控制和反馈。它们在需要精确的电机控制或位置精度的应用中特别有优势。

4、应用方面的考虑：
· 电位计：电位计通常用于需要模拟控制的应用，如音频系统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很受欢迎，在这些应用中，精确的数字反馈、高分辨率和准确的位置感应是至关重要的。它们在电机控制系统和需要精确角度测量的应用中表现出色。

电位计锥度

电位计锥度指的是当器件的电枢旋转或滑片沿电阻元件滑动时，电阻如何变化。电位计锥度有两种主要类型：线性和对数（也称为音频锥度）。

在采用线性锥度的电位计中，电枢位置与电阻之间的关系是线性的。这表示，当电枢或滑块处于中间位置时，可变电阻是电位计满刻度电阻的一半。线性锥度电位计在整个运动范围内提供均匀的电阻变化。

对数锥度电位计提供了一种非线性响应，模仿人耳对声音的对数敏感性。这种锥度通常用于音频器件，如音量控制器，以实现更平衡的音量调节感觉。在对数锥度的情况下，旋转初期的小变化会导致音量的较大变化，而旋转后期的大变化会产生较小的音量调整。此外，还有反对数电位计，主要用于以逆时针方式运作的音频控制。

其他关键规格

以下是选择电位计时需要考虑的一些其他关键参数：

· 电阻：代表电阻元件从一个端子到另一个端子在整个长度上的电阻。例如，如果一个电位计的额定值为 2 kΩ（千欧），这表示其整个导轨电阻相当于一个阻值为 2 kΩ 的定值电阻器。
· 额定功率：最大额定功率表示电位计能够处理的最大功率，以防止过热或故障。
· 分辨率：指的是电位计在电阻增量变化方面的精度。它通常以总电阻的百分比来表示，并代表电阻元件上的滑片每增加一个移动量所能检测到的最小的电阻变化。
· 滑动噪声：电位计内部接触部件运动时产生的电子噪声。这种噪声会干扰所需信号的准确性，或引入不需要的伪影。
· 温度系数：表示电位计的电阻可能随着工作温度的变化而变化。具有较低温度系数的电位计在较宽的温度范围内提供更稳定的电阻值，确保了在不同的热条件下性能一致。
· 机械寿命：电位计的预期寿命，即在保持其性能规格情况下可承受的转动次数。

结语

电位计具有一系列优势，包括设计简单、价格低廉、电阻范围大、操作简便和技术成熟。它们作为可靠的器件，在电子和电气系统中对线性或旋转运动进行电压控制、测量和精确感应。当然，考虑其局限性也很重要，如要考虑其有限带宽、电流处理能力、机械磨损和潜在的电噪声。

尽管如此，因其出色可靠性和能够满足不同要求的能力，使它们得以广泛使用。CUI Devices 提供全系列旋转电位计和微调电位计选择，可满足不同项目的特定要求。