【电路笔记】-电位器

电位器

当连接的轴物理旋转时，电位计和变阻器的电阻值会发生变化。

1、概述

电阻器提供固定的电阻值，可阻止或抵抗电路周围的电流流动，并根据欧姆定律产生电压降。 电阻器可以制造为具有以欧姆为单位的固定电阻值，也可以制造为可以通过某种外部方式调节的电位计。

电位器通常称为“电位器”，是一种三端子机械操作旋转模拟装置，可在各种电气和电子电路中找到和使用。 它们是无源器件，这意味着它们不需要电源或附加电路来执行基本的线性或旋转位置功能。

可变电位器有各种不同的机械变化，可以轻松调节以控制电压、电流或电路的偏置和增益控制以获得零状态。

“电位器”这个名称是 Potential Difference 和 Metering 两个词的组合，源自电子发展的早期。 当时人们认为，调整大型绕线电阻线圈可以计量或测出一定量的电位差，使其成为一种电压计量装置。

如今，电位器比那些早期的大而笨重的可变电阻更小、更精确，并且与大多数电子元件一样，有许多不同的类型和名称，包括可变电阻器、预置器、微调器、变阻器，当然还有可变电位器。

但无论它们的名称如何，这些设备的功能都完全相同，因为它们的输出电阻值可以通过某些外部动作引起的机械触点或游标的运动来改变或变化。

无论哪种形式的可变电阻器，通常都与某种形式的控制相关联，无论是调节收音机的音量、车辆的速度、振荡器的频率还是精确设置电路、单匝和多匝的校准 - 旋转电位器、微调电位器和变阻器在日常电气产品中有着多种用途。

术语电位器和可变电阻器经常一起使用来描述相同的组件，但重要的是要了解两者的连接和操作是不同的。 然而，两者具有相同的物理特性，因为除了连接到称为“滑块”或“游标”的可移动触点的第三个触点之外，内部电阻轨道的两端都连接到触点。

电位器

当用作电位计时，两端以及游标均进行连接，如图所示。 然后，游标的位置提供适当的输出信号（引脚 2），该信号将在施加到电阻轨道一端（引脚 1）和另一端（引脚 3）的电压电平之间变化。

电位器是一个三线电阻装置，充当分压器，产生连续可变的电压输出信号，该信号与雨刮器沿轨道的物理位置成比例。

可变电阻器

当用作可变电阻器时，仅连接到电阻轨道的一端（引脚 1 或引脚 3）和游标（引脚 2），如图所示。 游标的位置用于改变或改变其自身、活动触点和静止固定端之间连接的有效电阻的大小。

有时，在电阻轨道的未使用端和游标之间建立电气连接是适当的，以防止开路情况。

那么可变电阻器是一种两线电阻装置，它提供无限数量的电阻值，控制提供给连接电路的电流，与雨刮器沿轨道的物理位置成比例。 请注意，用于控制灯或电机负载中非常高的电路电流的可变电阻器称为变阻器。

2、电位器类型

可变电位器是一种模拟设备，基本上由两个主要机械部件组成：

1.由固定或固定电阻元件、轨道或线圈组成的电气部件，其定义了电位计电阻值，例如1kΩ（1000欧姆）、10kΩ（10000欧姆）等。

2. 一种机械部件，允许游标或接触点沿着电阻轨道的整个长度从一端移动到另一端，并在移动时改变其电阻值。
   有许多不同的方法可以通过机械或电气方式在电阻轨道上移动游标。

除了电阻轨道和游标之外，电位器还包括外壳、轴、滑块以及衬套或轴承。 滑动擦拭器或触点的运动本身可以是旋转（角）动作或线性（直线）动作。 可变电位器有四组基本组。

2.1 旋转电位器

旋转电位器（最常见的类型）由于角运动而改变其电阻值。 旋转连接到轴上的旋钮或转盘会导致内部游标扫过弯曲的电阻元件。 旋转电位器最常见的用途是音量控制电位器。

碳旋转电位器设计用于使用环形螺母和锁紧垫圈安装到外壳、外壳或印刷电路板 (PCB) 的前面板。 它们还可以具有一个或多个电阻轨道，称为联动电位计，全部使用一根轴一起旋转。 例如，用于同时调节收音机或立体声放大器的左右音量控制的双位电位器。 一些旋转电位器包括开关。

旋转电位器可产生线性或对数输出，公差通常为 10% 至 20%。 由于它们是机械控制的，因此可用于测量轴的旋转，但单圈旋转电位计通常提供从最小电阻到最大电阻小于 300 度的角运动。 然而，多圈电位器（称为微调器）可实现更高的旋转精度。

多圈电位器允许轴旋转超过 360°，机械行程从电阻轨道的一端到另一端。 多转电位器价格较贵，但非常稳定，精度高，主要用于微调和精密调节。 两种最常见的多圈电位器是 3 圈 (1080°) 和 10 圈 (3600°)，但 5 圈、20 圈和更高的 25 圈电位器有多种欧姆值可供选择。

2.2 滑块电位器

滑块电位器或滑动电位计旨在通过线性运动来改变其接触电阻值，因此滑块触点的位置与输出电阻之间存在线性关系。

滑动电位器主要用于各种专业音频设备，例如录音室混音器、推子、图形均衡器和音频音调控制台，使用户可以从塑料方形旋钮或手指握把的位置看到滑动电位器的实际设置 。

滑块电位器的主要缺点之一是它们有一个长的开放槽，允许滑动器接线片沿着电阻轨道的整个长度自由地上下移动。 这个开放的槽使得内部的电阻轨道容易受到灰尘和污垢的污染，或者受到用户手上的汗水和油脂的污染。 开槽毡盖和筛网可用于最大限度地减少电阻轨道污染的影响。

由于电位计是将机械位置转换为比例电压的最简单方法之一，因此它们也可以用作电阻式位置传感器，也称为线性位移传感器。 滑动碳轨电位计测量精确的线性（直线）运动，线性传感器的传感器部分是连接到滑动触点的电阻元件。 该触点又通过杆或轴连接到待测量的机械机构。 然后滑块的位置相对于被感测的量（被测量）发生变化，进而改变传感器的电阻值。

2.3 预设和微调电位器

预设或微调电位器是小型“一劳永逸”型电位器，可轻松对电路进行非常精细或偶尔的调整（例如用于校准）。 单圈旋转预设电位器是标准可变电阻器的微型版本，设计用于直接安装在印刷电路板上，并通过小刀片螺丝刀或类似的塑料工具进行调节。

通常，这些线性碳轨道预设罐具有开放式骨架设计或封闭式方形形状，一旦电路被调整并在工厂设置，则保留在该设置，只有在电路设置发生一些变化时才再次调整。

由于采用开放式结构，骨架预设很容易发生机械和电气退化，影响性能和精度，因此不适合连续使用，因此，预设罐的机械额定值仅可进行数百次操作。 然而，它们的低成本、小尺寸和简单性使得它们在非关键电路应用中很受欢迎。

预设可以在单圈内从最小值调整到最大值，但对于某些电路或设备来说，这种小范围的调整可能太粗略，无法进行非常敏感的调整。 然而，多圈可变电阻器是通过使用小螺丝刀将雨刷臂移动一定圈数（从 3 圈到 20 圈）来进行操作，从而实现非常精细的调节。

微调电位器或“微调电位器”是具有线性轨道的多匝矩形设备，设计用于通过通孔或表面贴装直接安装和焊接到电路板上。 这为修剪机提供了电气连接和机械安装，并将轨道封装在塑料外壳内，避免了与骨架预设相关的使用过程中的灰尘和污垢问题。

2.4 变阻器

变阻器是电位器世界的巨头。 它们是两个连接可变电阻器，配置为提供其欧姆范围内的任何电阻值，以控制流过它们的电流。

虽然从理论上讲，任何可变电位器都可以配置为作为变阻器运行，但变阻器通常是大型高瓦数线绕可变电阻器，用于高电流应用，因为变阻器的主要优点是其更高的额定功率。

当可变电阻器用作两端变阻器时，只有位于终端端子和活动触点之间的总电阻元件部分会消耗功率。 此外，与配置为分压器的电位器不同，流过变阻器电阻元件的所有电流也流过游标电路。 那么擦拭器对该导电元件的接触压力必须能够承载相同的电流。

电位器有多种技术可供选择，例如：碳膜、导电塑料、金属陶瓷、线绕等。电位器或可变电阻器的额定值或“电阻”值与从一个固定端子到整个固定电阻轨道的电阻值有关。 另一个。 因此，额定值为 1kΩ 的电位器的电阻轨道等于 1kΩ 固定电阻器的值。

在最简单的形式中，电位计的电气操作可以被认为与与滑动触点串联的两个电阻器相同，改变这两个电阻器的值，使其可以用作分压器。

在关于串联电阻器的文章中，我们看到相同的电流流过串联电路，因为电流只有一条路径，并且我们可以应用欧姆定律来找到串联中每个电阻器上的压降 链。 然后串联电阻电路充当分压器网络，如图所示。

分压串联电路

在上面的示例中，两个电阻器通过电源串联连接在一起。 由于它们串联，因此等效或总电阻 RT 等于两个单独电阻器的总和，即：$R_1+R_2$。

同样是串联网络，相同的电流流过每个电阻器，因为它无处可去。 然而，由于电阻器的欧姆值不同，每个电阻器上给出的压降将不同。 这些电压降可以使用欧姆定律计算，其总和等于串联链上的电源电压。 因此，在此示例中，$V_{IN}=V_{R_1}+V_{R_2}$。

3、电位器示例1

250欧姆的电阻器与第二个750欧姆的电阻器串联，使得250欧姆电阻器连接到12伏电源并且750欧姆电阻器连接到地(0v)。 计算总串联电阻、流过串联电路的电流以及 750 欧姆电阻两端的电压降。

在这个简单的分压器示例中，$R_2$ 上产生的电压为 9 伏。 但通过改变两个电阻中任意一个的值，理论上电压可以是0V到12V之间的任意值。 这种两个电阻串联电路的想法是电位器操作背后的基本概念，在该电路中我们可以改变任一电阻的值以获得不同的电压输出。

这次与电位器的不同之处在于，为了在输出端获得不同的电压，电位器电阻轨道的总电阻$R_T$值不会改变，只是游标移动时在游标两侧形成的两个电阻的比率。

因此，电位器可移动游标提供了一种输出，该输出在轨道一端的电压和另一端的电压之间变化，通常分别在如图所示的最大值和零之间。

4、电位器作为分压器

当电位器电阻减小（游标向下移动）时，引脚 2 的输出电压减小，在 $R_2$ 上产生较小的压降。 同样，当电位器电阻增加（游标向上移动）时，引脚 2 的输出电压增加，产生更大的压降。 然后，输出引脚上的电压取决于游标的位置，并从电源电压中减去该电压降值。

5、电位器示例2

需要一个 270° 单圈 1.5kΩ 碳轨旋转电位器来由 9 伏电池提供 6 伏电源。 计算 1. 雨刮器在轨道上的角位置（以度为单位），以及 2. 雨刮器两侧的电阻值。

1）刮水器角度位置：

那么雨刮器的角度位置就是 180° 或 2/3 旋转。

2）电位器电阻值：

那么游标两侧的电阻值为 $R_1=500\Omega ，R_2=1000\Omega$。 我们还可以使用上面的分压器公式来确认这些值是正确的：

然后我们可以看到，当用作可变分压器时，输出电压将是输入电压的某个百分比值，输出电压的大小与可移动游标相对于一端的物理位置成正比。 例如，如果从一端到雨刮器的电阻为总电阻的 30%，则雨刮器引脚跨该部分的输出电压将为电位器两端电压的 30%，并且此条件始终为真 对于线性电位器。

装载雨刮器

在上面的简单分压器示例中，我们将 $R_1$ 和 $R_2$ 的值分别计算为 500Ω 和 1000Ω，以便在雨刷器角度位置为 180o 的情况下在雨刷器端子（引脚 2）处产生 6 伏电压。 我们在此假设电位器无负载并产生线性直线输出，因此 $V_{OUT}=\theta V_{IN}$。

然而，如果我们通过连接电阻负载 RL 来加载抽头端子，则输出电压将不再是 6 伏，因为负载电阻 RL 有效地与 R2（较低的 1000Ω 部分）并联，从而影响总电压。 分压网络负载部分的电阻值。

考虑一下如果我们将 3kΩ 负载电阻连接到雨刮器输出端子会发生什么。

负载电位器抽头

因此，我们可以看到，通过在电位器输出端子之间连接负载，在本例中电压已降低，从所需的 6 伏降至仅 5.4 伏，因为 3kΩ 电阻器的负载效应给出了并联等效电阻 $R_P$ 750Ω而不是原来的1kΩ。

显然，所连接负载的电阻越高或越低，对雨刮器的负载影响越大或越小。 因此，与只有几欧姆值的负载电阻相比，兆欧姆范围内的负载电阻的影响非常小。 因此，要将输出电压返回到原来的 6 伏，需要对电位器游标位置进行小幅调整（在本例中为 18°），因为现在 $R_T$ 等于 1250Ω (500 + 750)。

6、变阻器

到目前为止，我们已经看到可变电阻器可以配置为作为分压器电路运行，该电路被称为电位器。 但我们也可以配置一个可变电阻来调节电流，这种配置通常称为变阻器。

变阻器是一种两端可变电阻器，配置为仅使用一端端子和游标端子。 未使用的终端可以不连接或直接连接到雨刮器。 它们是线绕设备，包含紧密的重型漆包线线圈，可以阶梯式增量改变电阻。 通过改变电阻元件上游标的位置，可以增加或减少电阻值，从而控制电流量。

然后，变阻器通过改变其电阻值来控制电流，使其成为真正的可变电阻器。 使用变阻器的经典示例是模型火车组或 Scalextric 的速度控制，其中通过变阻器的电流量受欧姆定律控制。 那么变阻器不仅由其电阻值定义，还由其功率处理能力定义，如 $P=I^2\times R$。

作为电流调节器的变阻器

上图中，变阻器的有效电阻位于端子引脚 3 和引脚 2 的游标之间。如果引脚 1 悬空，则引脚 1 和引脚 2 之间的走线电阻开路，不起作用。 关于负载电流的值。 相反，如果引脚 1 和引脚 2 连接在一起，则电阻轨道的该部分会短路，并且同样对负载电流值没有影响。

由于变阻器控制电流，因此根据定义，它们应具有适当的额定值以处理连续负载电流。 可以将三端电位器配置为两端变阻器，但碳基电阻轨道可能无法通过负载电流。 此外，电位器的游标触点通常是最薄弱的点，因此最好通过游标吸取尽可能少的电流。

但请注意，如果负载电阻 RL 远高于变阻器电阻的满值，则变阻器不适合控制负载电流。 即 RL >> RRHEO。 负载电阻的阻值必须远低于变阻器的阻值，才能允许负载电流流过。

一般来说，变阻器是用于功率应用的高瓦数机电可变电阻器，其电阻元件通常由粗电阻丝制成，适合在其电阻 R 最小时承载最大电流 I。

线绕变阻器主要用于功率控制应用，例如灯、加热器或电机控制电路，以调节励磁电流以进行速度控制或直流电机的启动电流等。变阻器有多种类型，但最常见的是旋转式变阻器。 环形类型采用开放式结构进行冷却，但也提供封闭类型。

6、滑块变阻器

管状滑块变阻器是学校和学院的物理实验室和科学实验室中常见的类型。 这些线性或滑动类型使用缠绕在绝缘管状线圈架或圆柱体上的电阻线。 安装在上方的滑动触点（引脚 2）可手动向左或向右调节，以增加或减少变阻器的有效电阻，如图所示。

与旋转电位器一样，也可提供多联型滑块变阻器。 在某些类型中，对电阻线进行固定的电连接，以在任意两个端子之间提供固定的电阻值。 这种中间连接通常称为“抽头”，与变压器上使用的名称相同。

7、线性或对数电位器

最流行的可变电阻器和电位器类型是线性类型或线性锥度，其引脚 2 处的电阻值在调整时呈线性变化，产生代表直线的特性曲线。 也就是说，电阻轨道沿着轨道的整个长度，每个旋转角度具有相同的电阻变化。

因此，如果雨刮器旋转了其总行程的 20%，则其阻力为最大值或最小值的 20%。 这主要是因为它们的电阻轨道元件由碳复合材料、陶瓷金属合金或导电塑料型材料制成，这些材料在整个长度上具有线性特性。

但电位计的电阻元件并不总是在雨刮器调整时产生直线特性或在其整个行程范围内具有线性电阻变化，而是可以产生所谓的对数电阻变化。

对数电位器基本上是非常流行的非线性或非比例类型的电位器，其电阻以对数方式变化。 对数或“对数”电位器通常用作音频应用中的音量和增益控制，其中衰减以分贝为对数比变化。 这是因为人耳对声级的敏感度具有对数响应，因此是非线性的。

如果我们使用线性电位器来控制音量，会给耳朵的印象是大部分音量调节都限制在电位器轨道的一端。 然而，对数电位器在音量控制的整个旋转过程中给人一种更加均匀和平衡的音量调节的印象。

因此，对数电位器在调节时的操作是产生一个与人耳的非线性灵敏度紧密匹配的输出信号，使音量听起来好像是线性增加的。 然而，一些更便宜的对数电位器的电阻变化更多是指数变化而不是对数变化，但仍称为对数电位器，因为它们的电阻响应在对数刻度上是线性的。 除了对数电位器外，还有反对数电位器，其电阻最初快速增加，但随后趋于平稳。

所有电位器和变阻器都可以选择不同的电阻轨道或模式（称为定律），可以是线性、对数或反对数。 这些术语更常见地分别缩写为 lin、log 和反对数。

确定特定电位器的类型或规律的最佳方法是将电位计轴设置到其行程的中心，即大约一半的位置，然后测量从游标到终端的每一半的电阻。 如果每一半的电阻或多或少相等，那么它就是线性电位器。 如果电阻似乎在一个方向上分裂为约 90%，在另一个方向上分裂为 10%，那么它很可能是对数电位计。

8、总结

在本关于电位器的文章中，我们已经看到电位器或可变电阻器基本上由两端都有连接的电阻轨道和称为游标的第三个端子组成，游标的位置将电阻轨道分开。 刮水器在轨道上的位置通过旋转轴或使用螺丝刀进行机械调节。

可变电阻器可以分为两种工作模式之一——可变分压器或可变电流变阻器。 电位器是用于电压控制的三端器件，而变阻器是用于电流控制的二端器件。

我们可以将其总结如下表：

类型	电位器	变阻器
连接数	三个终端	两个终端
匝数	单圈和多圈	仅单圈
连接类型	与电压源并联	与负载串联
数量控制	控制电压	控制电流
锥度法则的类型	线性和对数	仅线性

然后电位器、微调器和变阻器都是机电器件，设计得可以很容易地改变它们的电阻值。 它们可以设计为单圈电位器、预设电位器、滑块电位器或多圈微调器。 线绕变阻器主要用于控制电流。 电位器和变阻器也可用作多组器件，并且可分为线性锥度或对数锥度。

无论哪种方式，电位计都可以为线性或旋转运动提供高精度的传感和测量，因为它们的输出电压与雨刷位置成正比。 电位器的优点包括成本低、操作简单、有多种形状、尺寸和设计，可用于多种不同的应用。

然而，作为机械设备，它们的缺点包括滑动接触刷和/或轨道的最终磨损、电流处理能力有限（与变阻器不同）、电力限制以及单匝电位器的旋转角度限制为小于 270 度。