電位器

當連接的軸物理旋轉時，電位計和變阻器的電阻值會發生變化。

1、概述

電阻器提供固定的電阻值，可阻止或抵抗電路周圍的電流流動，并根據歐姆定律產生電壓降。 電阻器可以制造為具有以歐姆為單位的固定電阻值，也可以制造為可以通過某種外部方式調節的電位計。

電位器通常稱為“電位器”，是一種三端子機械操作旋轉模擬裝置，可在各種電氣和電子電路中找到和使用。 它們是無源器件，這意味著它們不需要電源或附加電路來執行基本的線性或旋轉位置功能。

可變電位器有各種不同的機械變化，可以輕松調節以控制電壓、電流或電路的偏置和增益控制以獲得零狀態。

“電位器”這個名稱是 Potential Difference 和 Metering 兩個詞的組合，源自電子發展的早期。 當時人們認為，調整大型繞線電阻線圈可以計量或測出一定量的電位差，使其成為一種電壓計量裝置。

如今，電位器比那些早期的大而笨重的可變電阻更小、更精確，并且與大多數電子元件一樣，有許多不同的類型和名稱，包括可變電阻器、預置器、微調器、變阻器，當然還有可變電位器。

但無論它們的名稱如何，這些設備的功能都完全相同，因為它們的輸出電阻值可以通過某些外部動作引起的機械觸點或游標的運動來改變或變化。

無論哪種形式的可變電阻器，通常都與某種形式的控制相關聯，無論是調節收音機的音量、車輛的速度、振蕩器的頻率還是精確設置電路、單匝和多匝的校準 - 旋轉電位器、微調電位器和變阻器在日常電氣產品中有著多種用途。

術語電位器和可變電阻器經常一起使用來描述相同的組件，但重要的是要了解兩者的連接和操作是不同的。 然而，兩者具有相同的物理特性，因為除了連接到稱為“滑塊”或“游標”的可移動觸點的第三個觸點之外，內部電阻軌道的兩端都連接到觸點。

電位器

當用作電位計時，兩端以及游標均進行連接，如圖所示。 然后，游標的位置提供適當的輸出信號（引腳 2），該信號將在施加到電阻軌道一端（引腳 1）和另一端（引腳 3）的電壓電平之間變化。

電位器是一個三線電阻裝置，充當分壓器，產生連續可變的電壓輸出信號，該信號與雨刮器沿軌道的物理位置成比例。

可變電阻器

當用作可變電阻器時，僅連接到電阻軌道的一端（引腳 1 或引腳 3）和游標（引腳 2），如圖所示。 游標的位置用于改變或改變其自身、活動觸點和靜止固定端之間連接的有效電阻的大小。

有時，在電阻軌道的未使用端和游標之間建立電氣連接是適當的，以防止開路情況。

那么可變電阻器是一種兩線電阻裝置，它提供無限數量的電阻值，控制提供給連接電路的電流，與雨刮器沿軌道的物理位置成比例。 請注意，用于控制燈或電機負載中非常高的電路電流的可變電阻器稱為變阻器。

2、電位器類型

可變電位器是一種模擬設備，基本上由兩個主要機械部件組成：

1.由固定或固定電阻元件、軌道或線圈組成的電氣部件，其定義了電位計電阻值，例如1kΩ（1000歐姆）、10kΩ（10000歐姆）等。

2. 一種機械部件，允許游標或接觸點沿著電阻軌道的整個長度從一端移動到另一端，并在移動時改變其電阻值。
   有許多不同的方法可以通過機械或電氣方式在電阻軌道上移動游標。

除了電阻軌道和游標之外，電位器還包括外殼、軸、滑塊以及襯套或軸承。 滑動擦拭器或觸點的運動本身可以是旋轉（角）動作或線性（直線）動作。 可變電位器有四組基本組。

2.1 旋轉電位器

旋轉電位器（最常見的類型）由于角運動而改變其電阻值。 旋轉連接到軸上的旋鈕或轉盤會導致內部游標掃過彎曲的電阻元件。 旋轉電位器最常見的用途是音量控制電位器。

碳旋轉電位器設計用于使用環形螺母和鎖緊墊圈安裝到外殼、外殼或印刷電路板 (PCB) 的前面板。 它們還可以具有一個或多個電阻軌道，稱為聯動電位計，全部使用一根軸一起旋轉。 例如，用于同時調節收音機或立體聲放大器的左右音量控制的雙位電位器。 一些旋轉電位器包括開關。

旋轉電位器可產生線性或對數輸出，公差通常為 10% 至 20%。 由于它們是機械控制的，因此可用于測量軸的旋轉，但單圈旋轉電位計通常提供從最小電阻到最大電阻小于 300 度的角運動。 然而，多圈電位器（稱為微調器）可實現更高的旋轉精度。

多圈電位器允許軸旋轉超過 360°，機械行程從電阻軌道的一端到另一端。 多轉電位器價格較貴，但非常穩定，精度高，主要用于微調和精密調節。 兩種最常見的多圈電位器是 3 圈 (1080°) 和 10 圈 (3600°)，但 5 圈、20 圈和更高的 25 圈電位器有多種歐姆值可供選擇。

2.2 滑塊電位器

滑塊電位器或滑動電位計旨在通過線性運動來改變其接觸電阻值，因此滑塊觸點的位置與輸出電阻之間存在線性關系。

滑動電位器主要用于各種專業音頻設備，例如錄音室混音器、推子、圖形均衡器和音頻音調控制臺，使用戶可以從塑料方形旋鈕或手指握把的位置看到滑動電位器的實際設置 。

滑塊電位器的主要缺點之一是它們有一個長的開放槽，允許滑動器接線片沿著電阻軌道的整個長度自由地上下移動。 這個開放的槽使得內部的電阻軌道容易受到灰塵和污垢的污染，或者受到用戶手上的汗水和油脂的污染。 開槽氈蓋和篩網可用于最大限度地減少電阻軌道污染的影響。

由于電位計是將機械位置轉換為比例電壓的最簡單方法之一，因此它們也可以用作電阻式位置傳感器，也稱為線性位移傳感器。 滑動碳軌電位計測量精確的線性（直線）運動，線性傳感器的傳感器部分是連接到滑動觸點的電阻元件。 該觸點又通過桿或軸連接到待測量的機械機構。 然后滑塊的位置相對于被感測的量（被測量）發生變化，進而改變傳感器的電阻值。

2.3 預設和微調電位器

預設或微調電位器是小型“一勞永逸”型電位器，可輕松對電路進行非常精細或偶爾的調整（例如用于校準）。 單圈旋轉預設電位器是標準可變電阻器的微型版本，設計用于直接安裝在印刷電路板上，并通過小刀片螺絲刀或類似的塑料工具進行調節。

通常，這些線性碳軌道預設罐具有開放式骨架設計或封閉式方形形狀，一旦電路被調整并在工廠設置，則保留在該設置，只有在電路設置發生一些變化時才再次調整。

由于采用開放式結構，骨架預設很容易發生機械和電氣退化，影響性能和精度，因此不適合連續使用，因此，預設罐的機械額定值僅可進行數百次操作。 然而，它們的低成本、小尺寸和簡單性使得它們在非關鍵電路應用中很受歡迎。

預設可以在單圈內從最小值調整到最大值，但對于某些電路或設備來說，這種小范圍的調整可能太粗略，無法進行非常敏感的調整。 然而，多圈可變電阻器是通過使用小螺絲刀將雨刷臂移動一定圈數（從 3 圈到 20 圈）來進行操作，從而實現非常精細的調節。

微調電位器或“微調電位器”是具有線性軌道的多匝矩形設備，設計用于通過通孔或表面貼裝直接安裝和焊接到電路板上。 這為修剪機提供了電氣連接和機械安裝，并將軌道封裝在塑料外殼內，避免了與骨架預設相關的使用過程中的灰塵和污垢問題。

2.4 變阻器

變阻器是電位器世界的巨頭。 它們是兩個連接可變電阻器，配置為提供其歐姆范圍內的任何電阻值，以控制流過它們的電流。

雖然從理論上講，任何可變電位器都可以配置為作為變阻器運行，但變阻器通常是大型高瓦數線繞可變電阻器，用于高電流應用，因為變阻器的主要優點是其更高的額定功率。

當可變電阻器用作兩端變阻器時，只有位于終端端子和活動觸點之間的總電阻元件部分會消耗功率。 此外，與配置為分壓器的電位器不同，流過變阻器電阻元件的所有電流也流過游標電路。 那么擦拭器對該導電元件的接觸壓力必須能夠承載相同的電流。

電位器有多種技術可供選擇，例如：碳膜、導電塑料、金屬陶瓷、線繞等。電位器或可變電阻器的額定值或“電阻”值與從一個固定端子到整個固定電阻軌道的電阻值有關。 另一個。 因此，額定值為 1kΩ 的電位器的電阻軌道等于 1kΩ 固定電阻器的值。

在最簡單的形式中，電位計的電氣操作可以被認為與與滑動觸點串聯的兩個電阻器相同，改變這兩個電阻器的值，使其可以用作分壓器。

在關于串聯電阻器的文章中，我們看到相同的電流流過串聯電路，因為電流只有一條路徑，并且我們可以應用歐姆定律來找到串聯中每個電阻器上的壓降 鏈。 然后串聯電阻電路充當分壓器網絡，如圖所示。

分壓串聯電路

在上面的示例中，兩個電阻器通過電源串聯連接在一起。 由于它們串聯，因此等效或總電阻 RT 等于兩個單獨電阻器的總和，即：$R_1+R_2$。

同樣是串聯網絡，相同的電流流過每個電阻器，因為它無處可去。 然而，由于電阻器的歐姆值不同，每個電阻器上給出的壓降將不同。 這些電壓降可以使用歐姆定律計算，其總和等于串聯鏈上的電源電壓。 因此，在此示例中，$V_{IN}=V_{R_1}+V_{R_2}$。

3、電位器示例1

250歐姆的電阻器與第二個750歐姆的電阻器串聯，使得250歐姆電阻器連接到12伏電源并且750歐姆電阻器連接到地(0v)。 計算總串聯電阻、流過串聯電路的電流以及 750 歐姆電阻兩端的電壓降。

在這個簡單的分壓器示例中，$R_2$ 上產生的電壓為 9 伏。 但通過改變兩個電阻中任意一個的值，理論上電壓可以是0V到12V之間的任意值。 這種兩個電阻串聯電路的想法是電位器操作背后的基本概念，在該電路中我們可以改變任一電阻的值以獲得不同的電壓輸出。

這次與電位器的不同之處在于，為了在輸出端獲得不同的電壓，電位器電阻軌道的總電阻$R_T$值不會改變，只是游標移動時在游標兩側形成的兩個電阻的比率。

因此，電位器可移動游標提供了一種輸出，該輸出在軌道一端的電壓和另一端的電壓之間變化，通常分別在如圖所示的最大值和零之間。

4、電位器作為分壓器

當電位器電阻減小（游標向下移動）時，引腳 2 的輸出電壓減小，在 $R_2$ 上產生較小的壓降。 同樣，當電位器電阻增加（游標向上移動）時，引腳 2 的輸出電壓增加，產生更大的壓降。 然后，輸出引腳上的電壓取決于游標的位置，并從電源電壓中減去該電壓降值。

5、電位器示例2

需要一個 270° 單圈 1.5kΩ 碳軌旋轉電位器來由 9 伏電池提供 6 伏電源。 計算 1. 雨刮器在軌道上的角位置（以度為單位），以及 2. 雨刮器兩側的電阻值。

1）刮水器角度位置：

那么雨刮器的角度位置就是 180° 或 2/3 旋轉。

2）電位器電阻值：

那么游標兩側的電阻值為 $R_1=500\Omega ，R_2=1000\Omega$。 我們還可以使用上面的分壓器公式來確認這些值是正確的：

然后我們可以看到，當用作可變分壓器時，輸出電壓將是輸入電壓的某個百分比值，輸出電壓的大小與可移動游標相對于一端的物理位置成正比。 例如，如果從一端到雨刮器的電阻為總電阻的 30%，則雨刮器引腳跨該部分的輸出電壓將為電位器兩端電壓的 30%，并且此條件始終為真 對于線性電位器。

裝載雨刮器

在上面的簡單分壓器示例中，我們將 $R_1$ 和 $R_2$ 的值分別計算為 500Ω 和 1000Ω，以便在雨刷器角度位置為 180o 的情況下在雨刷器端子（引腳 2）處產生 6 伏電壓。 我們在此假設電位器無負載并產生線性直線輸出，因此 $V_{OUT}=\theta V_{IN}$。

然而，如果我們通過連接電阻負載 RL 來加載抽頭端子，則輸出電壓將不再是 6 伏，因為負載電阻 RL 有效地與 R2（較低的 1000Ω 部分）并聯，從而影響總電壓。 分壓網絡負載部分的電阻值。

考慮一下如果我們將 3kΩ 負載電阻連接到雨刮器輸出端子會發生什么。

負載電位器抽頭

因此，我們可以看到，通過在電位器輸出端子之間連接負載，在本例中電壓已降低，從所需的 6 伏降至僅 5.4 伏，因為 3kΩ 電阻器的負載效應給出了并聯等效電阻 $R_P$ 750Ω而不是原來的1kΩ。

顯然，所連接負載的電阻越高或越低，對雨刮器的負載影響越大或越小。 因此，與只有幾歐姆值的負載電阻相比，兆歐姆范圍內的負載電阻的影響非常小。 因此，要將輸出電壓返回到原來的 6 伏，需要對電位器游標位置進行小幅調整（在本例中為 18°），因為現在 $R_T$ 等于 1250Ω (500 + 750)。

6、變阻器

到目前為止，我們已經看到可變電阻器可以配置為作為分壓器電路運行，該電路被稱為電位器。 但我們也可以配置一個可變電阻來調節電流，這種配置通常稱為變阻器。

變阻器是一種兩端可變電阻器，配置為僅使用一端端子和游標端子。 未使用的終端可以不連接或直接連接到雨刮器。 它們是線繞設備，包含緊密的重型漆包線線圈，可以階梯式增量改變電阻。 通過改變電阻元件上游標的位置，可以增加或減少電阻值，從而控制電流量。

然后，變阻器通過改變其電阻值來控制電流，使其成為真正的可變電阻器。 使用變阻器的經典示例是模型火車組或 Scalextric 的速度控制，其中通過變阻器的電流量受歐姆定律控制。 那么變阻器不僅由其電阻值定義，還由其功率處理能力定義，如 $P=I^2\times R$。

作為電流調節器的變阻器

上圖中，變阻器的有效電阻位于端子引腳 3 和引腳 2 的游標之間。如果引腳 1 懸空，則引腳 1 和引腳 2 之間的走線電阻開路，不起作用。 關于負載電流的值。 相反，如果引腳 1 和引腳 2 連接在一起，則電阻軌道的該部分會短路，并且同樣對負載電流值沒有影響。

由于變阻器控制電流，因此根據定義，它們應具有適當的額定值以處理連續負載電流。 可以將三端電位器配置為兩端變阻器，但碳基電阻軌道可能無法通過負載電流。 此外，電位器的游標觸點通常是最薄弱的點，因此最好通過游標吸取盡可能少的電流。

但請注意，如果負載電阻 RL 遠高于變阻器電阻的滿值，則變阻器不適合控制負載電流。 即 RL >> RRHEO。 負載電阻的阻值必須遠低于變阻器的阻值，才能允許負載電流流過。

一般來說，變阻器是用于功率應用的高瓦數機電可變電阻器，其電阻元件通常由粗電阻絲制成，適合在其電阻 R 最小時承載最大電流 I。

線繞變阻器主要用于功率控制應用，例如燈、加熱器或電機控制電路，以調節勵磁電流以進行速度控制或直流電機的啟動電流等。變阻器有多種類型，但最常見的是旋轉式變阻器。 環形類型采用開放式結構進行冷卻，但也提供封閉類型。

6、滑塊變阻器

管狀滑塊變阻器是學校和學院的物理實驗室和科學實驗室中常見的類型。 這些線性或滑動類型使用纏繞在絕緣管狀線圈架或圓柱體上的電阻線。 安裝在上方的滑動觸點（引腳 2）可手動向左或向右調節，以增加或減少變阻器的有效電阻，如圖所示。

與旋轉電位器一樣，也可提供多聯型滑塊變阻器。 在某些類型中，對電阻線進行固定的電連接，以在任意兩個端子之間提供固定的電阻值。 這種中間連接通常稱為“抽頭”，與變壓器上使用的名稱相同。

7、線性或對數電位器

最流行的可變電阻器和電位器類型是線性類型或線性錐度，其引腳 2 處的電阻值在調整時呈線性變化，產生代表直線的特性曲線。 也就是說，電阻軌道沿著軌道的整個長度，每個旋轉角度具有相同的電阻變化。

因此，如果雨刮器旋轉了其總行程的 20%，則其阻力為最大值或最小值的 20%。 這主要是因為它們的電阻軌道元件由碳復合材料、陶瓷金屬合金或導電塑料型材料制成，這些材料在整個長度上具有線性特性。

但電位計的電阻元件并不總是在雨刮器調整時產生直線特性或在其整個行程范圍內具有線性電阻變化，而是可以產生所謂的對數電阻變化。

對數電位器基本上是非常流行的非線性或非比例類型的電位器，其電阻以對數方式變化。 對數或“對數”電位器通常用作音頻應用中的音量和增益控制，其中衰減以分貝為對數比變化。 這是因為人耳對聲級的敏感度具有對數響應，因此是非線性的。

如果我們使用線性電位器來控制音量，會給耳朵的印象是大部分音量調節都限制在電位器軌道的一端。 然而，對數電位器在音量控制的整個旋轉過程中給人一種更加均勻和平衡的音量調節的印象。

因此，對數電位器在調節時的操作是產生一個與人耳的非線性靈敏度緊密匹配的輸出信號，使音量聽起來好像是線性增加的。 然而，一些更便宜的對數電位器的電阻變化更多是指數變化而不是對數變化，但仍稱為對數電位器，因為它們的電阻響應在對數刻度上是線性的。 除了對數電位器外，還有反對數電位器，其電阻最初快速增加，但隨后趨于平穩。

所有電位器和變阻器都可以選擇不同的電阻軌道或模式（稱為定律），可以是線性、對數或反對數。 這些術語更常見地分別縮寫為 lin、log 和反對數。

確定特定電位器的類型或規律的最佳方法是將電位計軸設置到其行程的中心，即大約一半的位置，然后測量從游標到終端的每一半的電阻。 如果每一半的電阻或多或少相等，那么它就是線性電位器。 如果電阻似乎在一個方向上分裂為約 90%，在另一個方向上分裂為 10%，那么它很可能是對數電位計。

8、總結

在本關于電位器的文章中，我們已經看到電位器或可變電阻器基本上由兩端都有連接的電阻軌道和稱為游標的第三個端子組成，游標的位置將電阻軌道分開。 刮水器在軌道上的位置通過旋轉軸或使用螺絲刀進行機械調節。

可變電阻器可以分為兩種工作模式之一——可變分壓器或可變電流變阻器。 電位器是用于電壓控制的三端器件，而變阻器是用于電流控制的二端器件。

我們可以將其總結如下表：

類型	電位器	變阻器
連接數	三個終端	兩個終端
匝數	單圈和多圈	僅單圈
連接類型	與電壓源并聯	與負載串聯
數量控制	控制電壓	控制電流
錐度法則的類型	線性和對數	僅線性

然后電位器、微調器和變阻器都是機電器件，設計得可以很容易地改變它們的電阻值。 它們可以設計為單圈電位器、預設電位器、滑塊電位器或多圈微調器。 線繞變阻器主要用于控制電流。 電位器和變阻器也可用作多組器件，并且可分為線性錐度或對數錐度。

無論哪種方式，電位計都可以為線性或旋轉運動提供高精度的傳感和測量，因為它們的輸出電壓與雨刷位置成正比。 電位器的優點包括成本低、操作簡單、有多種形狀、尺寸和設計，可用于多種不同的應用。

然而，作為機械設備，它們的缺點包括滑動接觸刷和/或軌道的最終磨損、電流處理能力有限（與變阻器不同）、電力限制以及單匝電位器的旋轉角度限制為小于 270 度。