电位器(Potentiometer),简称“Pots”,是工程师中常用的称谓,实际上是一种带有机械调节机构的电阻器,可以手动调节其阻值。电阻器本身提供固定的阻值,用于阻止或“限制”电路中的电流流动。而电位器的本质是一种可变电阻。
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电位器的工作原理是通过分压器调节输出电压,并能够精确测量(即“计量”)电势,这也是“电位器”名称的由来。它们产生的输出信号与电刷在电阻元件上的物理位置成比例,具有连续可变性。作为被动元件,电位器无需额外电源或电路即可运行。
在19世纪初电力研究和开发快速发展的背景下,许多人开始探索控制设备或电路电量的方法。然而,直到1841年,电位器的概念才被提出。1872年,托马斯·爱迪生(Thomas Edison)发明了首个实用的碳电位器。
现代电位器的体积更小,精度更高,根据应用需求有多种类型和封装形式。它们广泛用于调节亮度、音量、音频信号以及视频亮度和颜色,同时也可作为位置传感器使用。
旋转式电位器的内部工作原理
物体的电阻取决于多个因素,其中之一是长度。当材料和横截面相同时,长度为10厘米的物体电阻是长度为20厘米的物体电阻的一半。电位器利用了这一原理。通过调整滑动触点在均匀电阻元件上的线性或旋转位置,电位器可以改变电流路径的长度,从而调节输出。
输入电压施加在整个电阻元件上,输出电压则是固定电阻元件与滑动触点间的电压降。滑动触点的位置决定了施加到电路上的输入电压。
由于电位器需要耗散输入功率,它们很少用于控制超过1瓦的功率,因为过高的功率会导致不可接受的发热。相反,电位器通过调整模拟信号控制其他元件。例如,简单的灯光调节器通过电位器控制三端双向可控硅(TRIAC)来调节灯光亮度。
电位器主要分为两大类:模拟电位器和数字电位器。
模拟电位器:通过手动操作机械元件来控制输出,通常分为线性和旋转两种形式:
旋转电位器:通过旋转旋钮或轴改变电阻和输出。无轴版本则使用螺丝刀进行调节,通常称为微调电位器(Trimmer)。
线性电位器:通过滑动方式改变电阻,适用于需要线性关系的应用。
数字电位器:通过数字信号调节输出,无需机械操作。本文重点讨论模拟电位器。
根据应用需求,模拟电位器还包括以下子类型:
预设和微调器:小型电路板安装器件,用于调试和校准。
双联电位器:单轴上组合两个电位器,可同时调节两路信号。
伺服电位器:连接旋转轴(如电机)的电位器,用于位置检测。
对数电位器:阻值呈对数变化,常用于音量调节。
同轴电位器:两个旋转电位器同轴安装,用于多功能控制。
滑动电位器:通过滑动调整阻值,适用于混音器或均衡器。
电动滑动电位器:由小型直流电机驱动,用于自动化控制。
单圈与多圈电位器:分别适用于普通和高精度应用。
电位器是三端元件,通常用于电压控制;变阻器是两端元件,用于电流控制。电位器通过断开一端可用作变阻器。变阻器多为高功率线绕电阻,用于灯具或电机的高电流控制。
旋转编码器将轴的角位移转换为数字信号,与电位器在结构和用途上有所不同。电位器是模拟设备,易于设置,而旋转编码器为数字设备,精度高,但需要额外电路翻译信号。
阻值:电位器的总电阻值。
额定功率:最大可承受功率。
分辨率:精度,取决于电刷的移动。
滑动噪声:内部接触产生的电噪声。
温度系数:阻值随温度变化的程度。
机械寿命:循环次数。
优点包括设计简单、成本低、操作便捷、阻值范围广等;缺点则是带宽有限、易磨损以及可能产生电噪声。
如前所述,电位器常用于音频和视频设备或系统中,用来控制音量、亮度、对比度和颜色等参数。它们还可用于测试设备中的电压测量,以及过程控制和自动化系统中的位置传感。电位器的灵活性以及用作变阻器的可能性,使其不仅局限于这些常见应用,还扩展到了几乎所有模拟和许多数字应用中。只要需要主动控制电路或从电路接收反馈,电位器都可以作为一个备选方案。
电位器是一种结构相对简单的设备,采用成熟的技术,能够在多种电子或电气设备和系统中实现电压控制或测量功能。它们还能够对线性或旋转运动进行精确的传感和测量。由于其多样化的封装形式、额定值、尺寸和设计,电位器可适配于广泛的不同应用。
Same Sky 提供多种电位器选择,包括旋转式和微调式,阻值范围广泛,能够满足多种需求。
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