電位器的完整指南

電位器 (Potentiometers)，常簡稱為 pots，是電機工程領域的基本組件。這些元件功能豐富，是控制和測量電訊號的關鍵，在電路和其互動的實體世界之間提供動態介面。電位器可見於眾多應用，從音訊系統到機器人技術，是該領域中不可或缺的資產。

本文將從電位器的基本原理、構造和內部工作原理著手，再進一步深入探索。接著，將討論市售的各類型電位器，以及電位器、變阻器、編碼器的區別，以及關鍵設計注意事項和規格。

電位器基本知識

電位器是基於電阻的組件，具有機械調節機制，可手動調整電阻值。固定電阻的電阻值保持不變，電位器則可作為可變電阻。

這些元件用作分壓器，具有調節電路內電壓輸出和精確測量電位的雙重用途，因此被稱為電位器。在電位器中，滑針沿著電阻式元件調整位置，即可產生連續、可變的電壓輸出訊號。值得一提的是，電位器是被動元件，因此不需要電源或額外的電路即可運作。

圖 1：旋轉電位器的典型內部工作原理。(圖片來源：Same Sky)

物體的電阻值取決於多種因素，其中一個關鍵因素是其長度。在所有其他參數保持不變之下，物體的電阻值與其長度成正比。例如，由相同材料製成並具有相同橫截面積但長度為 20 mm 的物體，其電阻值為 40 mm 物體的一半。電位器利用此原理，達到可調式輸出。

電位器藉由改變滑動觸點沿均勻電阻式元件的線性或旋轉位置，進而改變電流流動的路徑，達到可調式輸出。輸入電壓施加在整個電阻式元件之上，輸出電壓則由固定電阻式元件與滑動或旋轉觸點之間的電位降獲得。可移動觸點沿電阻式元件的位置將決定施加多少輸入電壓到電路。

值得注意的是，電位器通常不直接控制超過 1 W 的功率。這種限制原因為元件本身需要耗散輸入功率，導致產生過多的熱量。相反地，電位器用於調整其他組件使用的類比訊號，以調節功率。例如，基本的調光器利用電位器控制三端雙向可控矽開關元件 (TRIAC)，改變燈光的亮度。

電位器類型

電位器有兩種主要形式：類比和數位。本文著重於類比電位器，此類型依靠機械元件操縱和控制輸出。類比電位器進一步分為線性和旋轉形式。

旋轉電位器利用連接到滑針元件的旋鈕和軸促成角動作。此滑針元件沿電阻式元件滑動，使電阻值變化並隨後調整輸出。藉由轉動軸，可以對應改變電阻值和輸出。此外，還有無軸電位器；此類型使用螺絲起子等外部工具移動滑針，無需實體軸。這些通常稱為微調電位器或微調器。

另一方面，線性電位器採用滑動機制以線性或直線動作與電阻式元件接觸。這種線性動作可以改變電阻值並調整輸出。

圖 2：比較線性和旋轉電位器。(圖片來源：Same Sky)

相較於類比電位器，數位或電子電位器以數位訊號控制輸出，無機械運動。

電位器、變阻器、編碼器

本質上，電位器和變阻器之間的主要區別在於其預期應用和端子配置。電位器是三端子元件，主要用於控制電壓，而變阻器是二端子元件，設計用於控制電流。但是，值得注意的是，可以讓電位器的其中一個端子不連接，當作變阻器使用。

相較之下，變阻器就專門設計用於調節電路中的電流。變阻器通常具有兩個端子，具有高功率和繞線結構的特點。變阻器通常用於高電流應用，用來控制燈具和馬達等裝置的流入電流。涵蓋耐用型電線，藉由調整滑針沿電阻式元件的位置增量改變電阻值。變阻器與電位器相異之處在於，變阻器的規格非依據電阻值，而是其功率處理能力。

圖 3：電位器和變阻器電路圖。(圖片來源：Same Sky)

雖然說旋轉編碼器和電位器都會感測軸的旋轉，但工作原理、複雜程度、所需的設置都各不相同。以下深入探討這兩種元件的差別：

1. 工作原理：
   • 電位器：電位器主要是類比元件，儘管也有數位款式。它們依靠軸旋轉時電阻的變化來指示位置或調整電壓位準。
   • 旋轉編碼器：旋轉編碼器是一種數位元件，使用二進位邏輯將軸的角位置或動作編碼，並且以數位訊號傳輸。他們通常採用電容式、光學或磁感測技術。
2. 設置複雜性：
   • 電位器：電位器的設置和連接過程通常最簡單。可以很容易整合到電路中，無需複雜的訊號調節。
   • 旋轉編碼器：旋轉編碼器是數位元件，需要額外電路，例如訊號調節、解碼、介面組件，以處理和解譯數位輸出訊號。
3. 輸入範圍和解析度：
   • 電位器：電位器具有類比特性，可達到無限的可變輸入。提供平滑且連續的值，達到精準控制。還能以非線性方式分壓，提供自訂的響應曲線。
   • 旋轉編碼器：旋轉編碼器可以連續旋轉，提供解析度極佳的回饋。以數位格式提供精準的位置或動作資訊，達到高解析度控制和回饋。在需要精準馬達控制或位置準確度的應用中特別有用。
4. 應用注意事項：
   • 電位器：電位器通常用於需要類比控制的應用，例如音訊系統中的音量調節或校準過程中的微調。
   • 旋轉編碼器：旋轉編碼器在工業、自動化和機器人應用中受到青睞；在這些應用中，精準的數位回饋、高解析度和精確的位置感測十分重要。它們在需要精準角度量測的馬達控制系統和應用中表現出色。

電位器錐度

電位器錐度是指在元件的電樞旋轉或滑針沿電阻式元件滑動時，電阻值如何對應改變。電位器錐度主要有兩種類型：線性和對數 (也稱為音訊錐度)。

在具有線性錐度的電位器中，電樞位置和電阻值呈線性關係。這代表當電樞或滑塊在中間位置時，可變電阻的電阻值是電位器滿量程的一半。線性錐度電位器在整個動作範圍內提供均勻的電阻變化。

對數錐度電位器提供非線性響應，模擬人耳對聲音的對數靈敏度。這種錐度通常用於音訊元件，例如音量控制，以達到更平衡的音量調節感知。對數錐度在旋轉最初的微小變化會讓音量產生明顯變化，而旋轉後期的較大變化會產生較小的音量調整。此外，也有反對數電位器，主要用於以逆時針方向控制的音訊。

其他主要規格

以下是選擇電位器時需要考慮的一些其他關鍵參數：

• 電阻值：跨整個電阻式元件兩端完整長度的電阻值。例如，如果電位器的額定值為 2 kΩ ，表示其軌道兩端的電阻值相當於一個值為 2 kΩ 的固定電阻。
• 額定功率：最大額定功率代表電位器在防止過熱或故障之下可以處理的功率量。
• 解析度：指電位器電阻增量變化的準確度。通常以總電阻的百分比表示，代表電阻式元件上滑針每次增量移動時可偵測到的最小電阻變化。
• 滑動雜訊：電位器內部接觸零件移動時產生的電子雜訊。這種雜訊會干擾所需訊號的準確性或引入不需要的偽影。
• 溫度係數：指明電位器的電阻值如何隨工作溫度的變化改變。較低溫度係數的電位器可在較寬廣的溫度範圍內提供更穩定的電阻值，確保在不同的熱條件下保持一致的效能。
• 機械壽命：電位器在保持其效能規格之下可以承受的預期循環次數。

結論

電位器具有一系列優勢，包括設計簡單、價格適中、電阻值範圍廣、容易操作、技術經驗證。它們是電子和電氣系統中控制電壓、量測、精準感測線性或旋轉動作的可靠元件。然而，需要考量其侷限性，例如有限的頻寬、電流處理能力、機械磨損和潛在的電氣雜訊。

話雖如此，其具有可靠性並可滿足不同需求，因此受到廣泛使用。Same Sky 提供種類齊全的旋轉電位器和微調電位器，可滿足不同專案的特定需求。