电位器的作用与原理及注意事项

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　　电位器介绍

　　电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件。电位器通常由电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与位移量成一定关系的电阻值或电压。电位器既可作三端元件使用也可作二端元件使用。后者可视作一可变电阻器，由于它在电路中的作用是获得与输入电压(外加电压)成一定关系得输出电压，因此称之为电位器。

　　定义

　　电位器 (英文：Potentiometer)是可变电阻器的一种。通常是由电阻体与转动或滑动系统组成，即靠一个动触点在电阻体上移动，获得部分电压输出。电位器的作用——调节电压(含直流电压与信号电压)和电流的大小。电位器的结构特点——电位器的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电阻体上的位置，则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值，从而改变了电压与电流的大小。电位器是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。

      当电阻体的两个固定触点之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。它大多是用作分压器，这时电位器是一个四端元件。电位器基本上就是滑动变阻器，有几种样式，一般用在音箱音量开关和激光头功率大小调节，电位器是一种可调的电子元件。用于分压的可变电阻器。在裸露的电阻体上，紧压着一至两个可移金属触点。触点位置确定电阻体任一端与触点间的阻值。按材料分线绕、碳膜、实芯式电位器;按输出与输入电压比与旋转角度的关系分直线式电位器(呈线性关系)、函数电位器(呈曲线关系)。主要参数为阻值、容差、额定功率。广泛用于电子设备，在音响和接收机中作音量控制用。

　　原理

　　从外观看，脉冲电位器与普通电位器一样都是三个引脚，但在其内部与引脚1、2相连的是两个长短不一的金属静片，与引脚3相连的是一周有12或24个齿的金属动片。当脉冲电位器旋转时可出现四种状态：即引脚3与引脚1相连，引脚3与引脚2及引脚1全相连;引脚3与引脚2相连，引脚3与引脚2及引脚1全断开。

　　在实际使用中，一般将引脚3接地作为数据输入端。而引脚1、2作为数据输出端与单片机I/O 口相连。如图2中所示，将引脚1与单片机的P1.0相连，引脚2与单片机的P1.1相连。当脉冲电位器左旋或右旋时，P1.0和P1.1就会周期性地产生所示的波形，如果是12点的脉冲电位器旋转一圈就会产生12组这样的波形，24点的脉冲电位器就会产生24组这样的波形;一组波形(或一个周期)包含了4个工作状态。因此只要检测出P1.0和P1.1的波形，就能识别脉冲电位器是否旋转是左旋还是右旋。

　　识别

　　进一步分析右的波形并按时间轴展开可以看出，虽然脉冲电位器左旋和右旋的波形都相同。但左旋时，在第1状态，脚1先比脚2变为低电平;在第2状态，脚2也变为低电平;在第3状态，脚1先比脚2变为高电平;在第4状态，脚2也变为高电平;脉冲电位器右旋时，脚1和脚2输出波形的变化规律正好与左旋相反。故可根据时间识别法(比较P1.0与P1.1低电平出现和结束的时差)来识别脉冲电位器是左旋还是右旋。在动态扫描中，因采样频率操作速度等因素的影响，实际上很难测出P1.0和P1.1的波形;也很难测准P1.0与P1.1低电平出现和结束的时差，只能快速地对P1.0和P1.1电平采样。对应图1所示波形按时间轴展开，每当P1.0和P1.1的组合电平依次为01 00 10 11四种状态码组成一个字节即4BH 时，就表示左旋一位音量减1。而每当P1.0和P1.1的组合电平依次为10 00 01 11四种状态码组成一个字节即87H时;就表示右旋一位音量加1。

　　这里将“4BH”称为左旋一位的特征码，“87H”称为右旋一位的特征码。编程的任务就是要在脉冲电位器旋转过程中识别出这两种特征码，并以此为依据，对音量进行增减控制。实际编程时可以用不同的方法识别出这两种特征码。但我们在实践中经过比较，用状态(位置)采样法实现编程是较为理想的一种方法。这种方法对采样频率和操作速度没有特别要求，也可不用定时器和中断资源，只需在主程序里面就能完成，而且具有编程简单抗干扰能力强工作可靠的优点。由于脉冲电位器在工作过程中有三种情形：一是没有被旋转而停留在某一状态(位置);二是虽然被旋转但没有完成一个周期(4个状态)而停留在某一状态;三是不停地被旋转而超过一个周期。

　　状态(位置)采样法就是要准确地跟踪识别和记录脉冲电位器变化的每一个状态值(包括位置值和它对应的特征码)。程序一开始就要识别出脉冲电位器所处的现态位置和其对应的特征码;随后不断跟踪扫描记录脉冲电位器的每一变化过程。显然，脉冲电位器只有旋转到第4个状态才有一个我们所需要的特征码出现，程序根据这个特征码的性质再对音量进行加减控制。

　　符合度

　　符合度又叫符合性，它是指电位器的实际输出函数特性和所要求的理论函数特性之间的符合程度。它用实际特性和理论特性之间的最大偏差对外加总电压的百分数表示，可以代表电位器的精度。

　　分辨力

　　分辨力决定于电位器的理论精度。对于线绕电位器和线性电位器来说，分辨力是用动触点在绕组上每移动一匝所引起的电阻变化量与总电阻的百分比表示。对于具有函数特性的电位器来说，由于绕组上每一匝的电阻不同，故分辨力是个变量。此时，电位器的分辨力一般是指函数特性曲线上斜率最大一段的平均分辨力。

　　滑动噪声

　　滑动噪声是电位器特有的噪声。在改变电阻值时，由于电位器电阻分配不当、转动系统配合不当以及电位器存在接触电阻等原因，会使动触点在电阻体表面移动时，输出端除有有用信号外，还伴有随着信号起伏不定的噪声。

　　对于线绕电位器来说，除了上述的动触点与绕组之间的接触噪声外，还有分辨力噪声和短接噪声。分辨力噪声是由电阻变化的阶梯性所引起的，而短接噪声则是当动触点在绕组上移动而短接相邻线匝时产生的，它与流过绕组的电流、线匝的电阻以及动触点与绕组间的接触电阻成正比。

　　机械寿命

　　电位器的机械寿命也称磨损寿命，常用机械耐久性表示。机械耐久性是指电位器在规定的试验条件下，动触点可靠运动的总次数，常用 "周"表示。机械寿命与电位器的种类、结构、材料及制作工艺有关，差异相当大。除了上述的特性参数外，电位器还有额定功率、阻值允许偏差、最大工作电压、额定工作电压、绝缘电压、温度参数、噪声电动势及高频特性等参数，这些参数的意义与电阻器相应特性参数的意义相同。

　　分类组成电位器的关键零件是电阻体和电刷。根据二者间的结构形式和是否带有开关，电位器可分为几种类型。

　　电位器还可按电阻体的材料分类，如线绕、合成碳膜、金属玻璃釉、有机实芯和导电塑料等类型，电性能主要决定于所用的材料。此外还有用金属箔、金属膜和金属氧化膜制成电阻体的电位器，具有特殊用途。电位器按使用特点区分，有通用、高精度、高分辨力、高阻、高温、高频、大功率等电位器;按阻值调节方式分则有可调型、半可调型和微调型，后二者又称半固定电位器。 为克服电刷在电阻体上移动接触对电位器性能和寿命带来的不利影响，又有无触点非接触式电位器，如光敏和磁敏电位器等，供少量特殊应用。

　　线绕电位器：具有高精度、稳定性好、温度系数小，接触可靠等优点，并且耐高温，功率负荷能力强。缺点是阻值范围不够宽、高频性能差、分辨力不高，而且高阻值的线绕电位器易断线、体积较大、售价较高。这种电位器广泛应用于电子仪器、仪表中。 线绕电位器的电阻体由电阻丝缠绕在绝缘物上构成，电阻丝的种类很多，电阻丝的材料是根据电位器的结构、容纳电阻丝的空间、电阻值和温度系数来选择的。电阻丝越细，在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。但电阻丝太细，在使用过程中容易断开，影响传感器的寿命。

　　合成碳膜电位器：具有阻值范围宽、分辨力较好、工艺简单、价格低廉等特点，但动噪声大、耐潮性差。这类电位器宜作函数式电位器，在消费类电子产品中大量应用。采用印刷工艺可使碳膜片的生产实现自动化。

　　有机实芯电位器：阻值范围较宽、分辨力高、耐热性好、过载能力强、耐磨性较好、可靠性较高，但耐潮热性和动噪声较差。这类电位器一般是制成小型半固定形式，在电路中作微调用。

　　金属玻璃釉电位器　它既具有有机实芯电位器的优点，又具有较小的电阻温度系数(与线绕电位器相近)，但动态接触电阻大、等效噪声电阻大，因此多用于半固定的阻值调节。这类电位器发展很快，耐温、耐湿、耐负荷冲击的能力已得到改善，可在较苛刻的环境条件下可靠地工作。

（图片来源：凯利讯半导体）

　　导电塑料电位器：阻值范围宽、线性精度高、分辨力强，而且耐磨寿命特别长。虽然它的温度系数和接触电阻较大，但仍能用于自动控制仪表中的模拟和伺服系统。

　　数字电位器：采用集成电路技术制作的电位器;把一串电阻集成到一个芯片内部，采用MOS管控制电阻串联

　　网络与公共端连接;控制精度由控制的bit位数决定，一般为8位、10位、12位等;可以使用到模拟电路中做阻抗匹配、放大回路的放大倍数控制等;避免了抖动调节操作麻烦;为设备的自动增益、电压变化、阻抗匹配等提供了便捷方式。

　　多圈精密可调电位器：在一些工控及仪表电路中，通常要求可调精度高。为了适应生产需要。这类电路采用一种多圈可调电位器。这类电位器具有步进范围大!精度高等优点。

　　电阻材质分类

　　碳膜式(Carbon Film)：使用碳膜作为电阻膜。

　　瓷金膜(Metal Film)：使用以陶瓷(ceramic)与金属(metal)材质混合制成的特殊瓷金(cermet)膜作为电阻膜。

　　线绕式(Wirewound)：使用金属线绕制作为电阻。比起碳膜或瓷金膜而言，可承受较大功率。

　　构造分类

　　旋转式：常见的形式。通常的旋转角度约 270～300 度。

　　单圈式：常见的形式。

　　多圈式：用于须精密调整的场合。

　　直线滑动式：通常用于混音器，便于立即看出音量的位置与做淡入淡出控制。

　　数量分类

　　单联式：一转轴只控制单一电位器。

　　双联式：两个电位器使用同一转轴控制，主要用于双声道中，可同时控制两个声道。

　　电阻值变化尺度分类

　　线性尺度式：电阻值的变化与旋转角度或移动距离呈线性关系，此种电位器称为 B 型电位器。

　　对数尺度式：电阻值的变化与旋转角度或移动距离呈对数关系，此种电位器主要用途是音量控制，其中常用的是 A 型电位器，适合顺时针方向为大音量、逆时针方向为小音量的场合;此外，另有对数尺度的变化方向相反的 C 型电位器。按电阻体的材料分类

　　电位器按电阻体的材料可分为线绕电位器和非线绕电位器两大类。线绕电位器又可分为通用线绕电位器、精密线绕电位器、大功率线绕电位器和预调式线绕电位器等多类。非线绕电位器可分为实心电位器和膜式电位器两种类型。其中实心电位器又分为有机合成实心电位器、无机合成实心电位器和导电塑料电位器。膜式电位器又分为碳膜电位器和金属膜电位器等多种。

　　按调节方式分类

　　电位器按调节方式可分为旋转式电位器、推拉式电位器、直滑式电位器等多种 。

　　按电阻值的变化规律分类

　　电位器按电阻值的变化规律可分为直线式电位器、指数式电位器和对数式电位器 。

　　按结构特点分类

　　电位器按其结构特点可分为单圈电位器、多圈电位器、单联电位器、双联电位器、多联电位器、抽头式电位器、带开关电位器、锁紧型电位器、非锁紧型电位器和贴片式电位器等多种。

　　按驱动方式分类

　　电位器按驱动方式可分为手动调节电位器和电动调节电位器 。

　　其他特别型式

　　附开关电位器：通常用于将音量开关与电源开关合一，即逆时针旋转至底使开关切断而关闭电源。

　　作用

　　电位器在电路中的主要作用有以下几个方面

　　1.用作分压器

　　电位器是一个连续可调的电阻器，当调节电位器的转柄或滑柄时，动触点在电阻体上滑动。此时在电位器的输出端可获得与电位器外加电压和可动臂转角或行程成一定关系的输出电压。

　　2.用作变阻器

　　电位器用作变阻器时，应把它接成两端器件，这样花电位器的行程范围内，便可获得一个平滑连续变化的电阻值。

　　3.用作电流控制器

　　当电位器作为电流控制器使用时，其中一个选定的电流输出端必须是滑动触点引出端。

　　注意事项

　　1. 电位器之电阻体大多采用多碳酸类的合成树脂制成，应避免与以下物品接触：氨水，其它胺类，碱水溶液，芳香族碳氢化合物，酮类，脂类的碳氢化合物，强烈化学品(酸碱值过高)等，否则会影响其性能。

　　2. 电位器之端子在焊接时应避免使用水容性助焊剂，否则将助长金属氧化与材料发霉;避免使用劣质焊剂，焊锡不良可能造成上锡困难，导致接触不良或者断路。

　　3. 电位器之端子在焊接时若焊接温度过高或时间过长可能导致对电位器的损坏。插脚式端子焊接时应在235℃±5℃，3秒钟内完成，焊接应离电位器本体1.5MM以上，焊接时勿使用焊锡流穿线路板;焊线式端子焊接时应在350℃±10℃，3秒钟内完成。且端子应避免重压，否则易造成接触不良。

　　4. 焊接时，松香(助焊剂)进入印刷机板之高度调整恰当，应避免助焊剂侵入电位器内部，否则将造成电刷与电阻体接触不良，产生INT，杂音不良现象。

　　5. 电位器最好应用于电压调整结构，且接线方式宜选择“1”脚接地;应避免使用电流调整式结构，因为电阻与接触片间的接触电阻不利于大电流的通过。

　　6. 电位器表面应避免结露或有水滴存在，避免在潮湿地方使用，以防止绝缘劣化或造成短路。

　　7. 安装“旋转型”电位器在固定螺母时，强度不宜过紧,以避免破坏螺牙或转动不良等; 安装“铁壳直滑式”电位器时,避免使用过长螺钉,否则有可能妨碍滑柄的运动,甚至直接损坏电位器本身。

　　8. 在电位器套上旋钮的过程中，所用推力不能过大(不能超过《规格书》中轴的推拉力的参数指标)，否则将可能造成对电位器的损坏。

　　9. 电位器回转操作力(旋转或滑动)会随温度的升高而变轻，随温度降低而变紧。若电位器在低温环境下使用时需说明，以便采用特制的耐低温油脂。

　　10 电位器的轴或滑柄使用设计时应尽量越短越好。轴或滑柄长度越短手感越好且稳定。反之越长晃动越大，手感易发生变化。

　　11 电位器碳膜的功率能承受周围的温度为70℃，当使用温度高于70℃时可能会丧失其功能。

　　主要参数

　　电位器的主要参数有标称阻值、额定功率、分辨率、滑动噪声、阻值变化特性、耐磨性、零位电阻及温度系数等。

　　1)额定功率

　　电位器的两个固定端上允许耗散的最大功率为电位器的额定功率。使用中应注意额定功率不等于中心抽头与固定端的功率。电位器的额定功率是指在直流或交流电路中，当大气压为87~107kPa，在规定的额定温度下长期连续负荷所允许消耗的最大功率。线绕和非线绕电位器的额定功率系列入表2所示。

　　2)标称阻值

　　标在产品上的名义阻值，其系列与电阻的系列类似。

　　3)允许误差等级

　　实测阻值与标称阻值误差范围根据不同精度等级可允许20%、10%、5%、2%、1%的误差。精密电位器的精度可达0.1% 。

　　4)阻值变化规律

　　指阻值随滑动片触点旋转角度(或滑动行程)之间的变化关系，这种变化关系可以是任何函数形式，常用的有直线式、对数式和反转对数式(指数式)。在使用中，直线式电位器适合于作分压器;反转对数式(指数式)电位器适合于作收音机、录音机、电唱机、电视机中的音量控制器。维修时若找不到同类品，可用直线式代替，但不宜用对数式代替。对数式电位器只适合于作音调控制等 。

　　分辨率电位器的分辨率也称为分辨力，对线绕电位器来讲，当动接点每移动一圈时，输出电压不连续的发生变化，这个变化量与输出电压的比值为分辨率。直线式线绕电位器的理论分辨率为绕线总匝数N的倒数，并以百分数表示。电位器的总匝数越多，分辨率越高。[3]

　　电位器的命名及标注方法1)电位器的命名规则同电阻的命名方法一样，只是以W字母开头。2)电位器标注方法：电位器一般均采用直标法，在电位器外壳上用字母和数字标志着它们的型号、标称功率、阻值、阻值与转角间的关系等。例如：WT-Ⅱ-1-1k-X电位器表示为单联碳膜电位器Ⅱ型，功率为1W，阻值为1kΩ，曲线为直线性。

　　测试及好坏判别

　　对电位器的主要要求是：①阻值符合要求。②中心滑动端与电阻体之间接触良好，转动平滑。对带开关的电位器，开关部分应动作准确可靠、灵活。因此在使用前必须检查电位器性能的好坏 。

　　1)阻值的测量：首先根据被测电位器阻值的大小，选择好万用表的合适电阻档位，测量一下阻值，即AC两端片之间的电阻值，与标称阻值比较，看二者是否一致。同时旋动滑动触头，其值应固定不变。如果阻值无穷大，则此电位器已损坏。

　　2)然后再测量其中心端与电阻体的接触情况，即BC两端之间电阻值。方法是万用表欧姆档在适当量程，测量过程中，慢慢旋转转轴，注意观察万用表的读数，正常情况，读数平稳地朝一个方向变化，若出现跳动、跌落或不通等现象，说明活动触点有接触不良的故障。

　　3)当中心端滑到首端或末端，理想状态下中心端与重合端的电阻值为0，在实际测量中，会有一定的残留值(一般视标称而定，一般小于5Ω)，属正常现象。

　　可调电位器概述编辑在裸露的电阻体上，紧压着一至两个可移金属触点，触点位置确定电阻体任一端与触点间的阻值。当电阻体的两个固定触点之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，转动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。电位器基本上就是滑动变阻器，有几种样式，一般用在音箱音量开关和激光头功率大小调节。初中电学实验中常用的滑动变阻器就是一种常见的线绕电位器。

　　可调电位器用法

　　这个电路具有正负对称电源，例：当电位器中心触头C滑动到电位器A端时OUT输出对地电压为+12V，当电位器中心触头C滑动到电位器B端时OUT输出对地电压为-12V。

　　单电源控制电位，输出端C具有0-∞V的调节范围。

　　这是一种音频放大器用于音量控制的接法当电位器中心触头C滑动到电位器A时音量最大，当电位器中心触头C滑动到电位器B时音量最小，如果c点到B出现接触不良时就会出现音量关不死。

　　音频音量控制电路原理图

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