1、电位器的基本性能、选型依据及使用原则何 昭 强(宏明电子实业总公司电子二厂 成都 610058)摘要 综述电位器的基本概念、电气性能参数及其测量方法 , 侧重介绍电位器选型依据及使用注意事项。为整机厂线路设计 , 工艺设计人员选型和正确使用电位器提供了依据。关键词 电位器 电气性能 测量方法 选型原则B asic Perfo rm ances, B asis to Select T yp es and ServiceP rincip les of Po ten tiom etersH e ZhaoqiangABSTRA CT Fundam ental concep t, electric pa
2、ram eters and their m easurem ent m ethods of po tentiom e2ters are surveyed and basis to select types and caution in service of the po tentiom eters are emphasized. T h is pa2per p rovides basis of selection of types and co rrect use of po tentiom eters fo r schem e and techno logy designers atelec
3、tronic equipm ent facto ry.KEY WORD S po tentiom eters, electric perfo rm ance, m easurem ent m ethod, basis to select types1 引言电位器是一种通用的机电元件 , 在仪器仪表和各种电子设备中已获得广泛应用。由于电位器品种、结构、安装方式和技术参数繁多 , 电路设计人员在设计选型时首先根据电位器在电路中 的作用来确定性能指标。从经济实用的观点出发 , 设计人员既要考虑到电位器的参数指标留有余量 , 又不能不切实际地提高指标要求。若所选电位器的参数指标不足 , 将达不到设计要
4、求或不能长期稳定工作。另外 , 设计人员选型不当或不能正确使用、安装 , 也容易造成电位器性能下降 , 结构受损甚至毁坏失效。合成碳膜电位器和玻璃釉电位器由于价格低廉和具有极强的通用性 , 因而在彩色及黑白电视机、录像机、音响设备、显示器等电器中占有重要地位。为了增进电位器制造厂和上述应用领域的广大设计人员、工艺人员之间的交流 , 为电路设计、整机工艺工作中合理地设计、选型和在装配中正确安装、使用电位器 , 本文提供主要的参考原则。2 电位器的基本概念211 电位器的定义电位器是一种可调电子元件 , 它靠动触点在电阻体上移动 , 从而获得与电位器输入电压和动触点位移 (或转角 ) 成一定关系的
5、电压输出。如图 1。图 1 电位器原理示意图收稿日期 : 1996206225141996 年 12 月 电 子 元 件 与 材 料 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.212 电位器的分类从构造形式来看 , 电位器可分为线绕电位器和非线绕电位器两大类。(1)线绕电位器是将电阻丝绕在金属、陶瓷和塑料骨架上作为电阻元件 , 具有电阻温度系数低 , 电阻值稳定性好 , 功率负荷性大 ,工作寿命长等优点。但线绕电阻元件的主要缺陷是分辩力有一定阶梯性 , 同时多圈的电阻元件的感抗会呈现随频率增加而
6、增加 , 因此高频性能差。此外 , 还存在总阻值范围窄等缺点。(2) 非线绕电位器有合成膜电位器、玻璃釉电位器、导电塑料电位器等。a1 合成 膜电位器是将炭黑、石墨和有机粘合剂、填充料等混合制成的浆料采用多种方法 (如丝网印刷 ) 涂覆在基体上再经固化而制成的电阻膜作为电阻体。合成碳膜电位器能大规模生产 , 价格便宜 , 调节时噪声较小 , 优越的高频性能 , 还具有较小的电感量和分布容量 , 且工作寿命长 , 很少突然发生严重损坏 , 总阻值范围宽广。线路设计人员总是首先想到选用碳膜电位器来作为在电子线路中改变电阻的经济方法。但合成碳膜电位器的总电阻值随时间和温度变化较大 , 抗潮湿的能力较
7、差 , 碳膜电阻元件的接触电阻较大。b1 玻璃釉电位器是将金属 (或其氧化物 ) 粉、玻璃釉等混合而成的浆料采用丝网印刷等方法涂覆在陶瓷基体上 , 经烘干、高温烧结而成的电阻膜作为电阻体。其优点有 :总电阻值范围宽广 , 且有很高的分辩力和良好的稳定性 , 噪声小 , 频率响应非常好 , 远远超过 100M H z。电阻温度系数较小 , 电阻元件表面坚硬而耐磨 , 工作寿命长。玻璃釉电阻元件越来越广泛地应用于预调电位器中。c1 导电塑料电位器是将炭黑、石墨和超细金属粉、 DA P 树脂和交联剂等混合而成的浆料采用丝网印刷等方法涂覆在陶瓷或特制塑料基体上而成的电阻膜作为电阻体。优点是接触电阻变化
8、小 , 工作寿命很长。因为表面特别光滑 , 所以分辨力非常高 , 即使动触点在电阻体上循环运动数百万次后 , 仍不会产生明显的摩擦力和磨损。对电阻元件加以修刻 , 可使其线性度达 01001 的水平。动态噪声非常小 , 有良好的高频工作性能 , 适用于高增益伺服系统中。但导电塑料电位器耐潮湿性能较差 , 稳定性不如玻璃釉电位器 , 动触点额定电流小 , 温度系数介于线绕电位器和玻璃釉电位器之间。另外 , 非线绕电位器还有金属膜电位器、金属体 (箔 ) 电位器、有机实芯电位器、无机实芯电位器等。213 电位器的基本安装方式插针式 : 在一般的用途中 , 可将电位器直接插入印刷电路板并进行波峰焊接
9、。轴套安装 : 在设计一些需要承受严重的机械振动和冲击的结构时 , 可采用轴套安装的电位器。用轴套螺母和垫圈将电位器固定在底板上。214 电位器在线路中的基本作用电位器有两种工作方式 : 分压器式 (图2) 和可变电阻器式 (图 3)。图 3 变阻器式3 电位器的电气参数311 总电阻值24 E lectron Com pon M ater V o l115 N o16 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.定义为电位器两终端 (1, 3 端 ) 之间的电阻值。标定任何电位器时 , 都需要规
10、定标称阻值。同时应规定标称阻值的允许偏差 , 而总电阻值应在允许偏差范围内。测量总电阻值时 , 一般采用数字欧姆表。在电位器有机械止档时 , 动触点应尽可能靠近一个终端引出端。如果是连续旋转的电位器 , 应将动触点调节到与电阻元件工作段完全脱离为止。标准测试还规定了测量总电阻值的最高 (直流 ) 电压 (见表 1) , 以限制电阻体在测量过程中温度无明显上升。表 1 测量总电阻值所用直流电压 1 标称阻值 8 测量电压 V(0- 10% )212 M 8 0101314 动噪声定义为当动触点在电阻体上移动时 , 由于接触电阻的无规则变化和电阻体电阻分布的341996 年 12 月 电 子 元
11、件 与 材 料 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.不均匀性等因素 , 电位器 1, 2 两引出端电输出中出现而不存在于输入之中的电噪声 , 以毫伏为计量单位。电位器的动噪声与动触点移动速度、动触点接触压力、动触点数目及外加电压和电流有关。电位器动噪声的测量采用下述方法之一 :方法 A 在通过动触点的电流比通过电阻体的电流低得多的情况下使用。在电位器用作分压器使用时 , 多采用此法测量 (见图 5)。电源电阻为 1 000 8、 20 V 的直流电压施加到电位器的引出端 1, 3 之间 ,
12、 动触点以 2 5 周m in 的速度运动通过总电气行程 (对于带开关旋转电位器 , 应迈开开关转角 )。方法 A 通常用于电视机面板电位器动噪声特性检测。此法不能用于测量作变阻器使用的预调电位器。因预调电位器在实际应用中 ,通过动触点的电流就是通过电阻体的电流 , 完全不同于作为分压器使用的面板电位器。方法 B 一般当电位器作可变电阻器使用时 , 常采用此测量。动触点应以 2 5 周 m in 速度运动。测试原理图同检查接触电阻变化的电路图 (见图 4)。图 5 电位器噪声测量 (方法 A )315 分辩力对于非线绕电位器 , 用输出平滑性来表征其分辩力 , 即在输入中不存在而在输出中出现的
13、任何杂散变化 , 通常以总外加电压的百分数表示。并在有效电行程范围内所规定的行程增量上测量。对于线绕电位器 , 分辩力是对输出增量相对动触点行程的函数关系的量度。理论分辩力= 1N 100% , N 为绕组的有效匝数。316 符合性符合性是电位器输出电压的实际值和规定值之间的最大偏差与外加总电压之比 , 以百分数表示。它表征电位器输出特性的精度。当规定规律或电压比呈直线时的符合性称为直线性 , 它是符合性的一种特殊形式。317 电阻温度系数 AR定义为在规定的环境工作温度范围内 , 给定的两个温度之间 , 阻值的相对变化除以引起该变化的温差及变化前的总电阻值 (平均温度系数 ) , 通常以 1
14、0- 6 - 1为单位。电阻温度系数主要取决于电阻元件的材料和部件本身的具体结构。AR = R 2- R 1R1 (T 2- T 1)T 1、 T 2 两个温度至少应相差 25 , 而且在每个温度下均应有足够的保温时间。各种类型电位器的电阻温度系数见表 4。318 额定功率定义为在规定条件下能够耗散的最大功表 4 各种类型电位器的电阻温度系数的典型值电位器种类 合成碳膜 玻璃釉 导电塑料 线绕AR 10- 6 - 1 1 000 250 200 50表 5 各种类型电位器的额定功率范围电位器种类 合成碳膜 玻璃釉 导电塑料 线绕额定功率 (70 ) W 0101 015 01125 015 0
15、15 2 0125 5率。它是在最低环境温度到额定环境温度范围内 , 能保证电位器连续正常工作的功率最大值。额定功率 P = I 2R = U 2 R。最大额定功率为线路设计人员说明电位器能够安全耗散而不致损坏的功率数值 , 各个具体电位器的使用方式会影响额定功率的最大允许耗散值。对于多数电位器来说 , 额定功率的最大44 E lectron Com pon M ater V o l115 N o16 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.值是指当电位器作为分压器使用的情况。因此 , 在电位
16、器的输入端加上电压时 , 通过动触点的负载电流值是不大的。电位器制造厂一般采用如图 6 所示的降功耗曲线。图中当环境温度在 t1 和 tm ax之间的允许耗散功率由连接 A、 B 两点的直线所构成的减负荷特性加以规定。而环境温度在 tm in和 t1 之间的温度下最大允许耗散功率均为额定功率。线路设计人员应严格遵守这一规定。图 6 电位器降功耗曲线完整的额定功率的技术规范 , 应规定安装条件 , 周围环境是静止空气还是强迫对流。通常是用标准的安装方法使给定的电位器放置在静止空气中的允许值。当电位器需要安装在靠近发热元件如功率晶体管、变压器、大功率电阻等或邻近另一电位器时 , 应当减少允许耗散功
17、率。产品上和性能数据表上规定的额定功率适用于电位器作分压器用的情况。此时 , 耗散功率可认为是沿整个电阻元件均匀分布的。而当电位器作变阻器或两引出端连接方式应用时 , 对应动触点某一给定的调节位置 ,只有一部分电阻元件是消耗功率的 , 而且流过电阻元件的电流全部 流过动触点电路 , 而动触点和电阻元件之间的压力接触点并不总是能够承受像电阻元件单独承受的那样大的电流。分压器式接法的额定功率是假定动触点电流可忽略不计的 , 因此对于变阻器式接法 , 必须限制其动触点电流的最大允许值 Im= P R T。式中 P 为最大耗散功率 ; R T 为总电阻值。采用这个最大电流极限值 , 即可保证电位器的最
18、大功率不被超过。各种类型电位器的额定功率范围如表 5。319 同步误差定义为多联电位器的每一联电阻体在指定位置输出电压与输入电压比值之间的差异程度 , 按 IEC 规定 , 同步误差为任意电位器衰减分贝数 (20lg V 122V123) 与基准联电位器衰减分贝数 (20lg V 1 22V1 23) 之差来表示。在通常使用状态下 , 各联电位器输入电压相同 , 即 V 123= V 1 23 , 故同步误差 D= (20lg V 122V1 22)。测量同步误差时 , 一般加在 1, 3 引出端之间的电压是直流电压 (2 15 V ) , 测试线路如图 7。同步误差是考核多联电位器的关键指标
19、 , 该参数直接影响到整机的使用效果 ,但要精确控制很难。影响同步误差的因素很多 , 主要有 :图 7 同步误差测试原理由同步误差定义式可看出 , 同步误差与电阻变化规律 (电压变化规律 ) 有关 , 而与总阻值的大小无关 , 即总阻值不同而阻值变化规律相同的多联电位器 , 同样可达到同步性良好。但由于膜层厚度不均匀或导电粒子分布不均匀 , 造成在同一行程位置 , 不同联电位器衰减不同 , 同步误差不良。各联电位器的动触点与电阻体接触处的机械错位也是影响同步误差的重要原因 , 相关零件配合公差不当 , 装配工艺不当都有可能造成同步误差增大。电位器作音量控制用时 , 一般要求在 -40 0 dB
20、 范围内 , 同步误差为 3dB。电位器作音调 , 平衡控制用时 , 一般要求在电气行程的 50% 处 , 同步误差为 3 dB。3110 电阻变化规律定义为电位器输出电压 (V 122或 V 223) 与输入电压 (V 123) 的比值与动触点所处机械位置 (对于旋转电位器是指转角 ) 之间的关系。541996 年 12 月 电 子 元 件 与 材 料 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.通用电位器的电阻规律有 (见图 8) :图 8 电位器电阻规律标准曲线a1 直线规律 : 规律 Ab
21、1 对数规律 : 规律 Bc1 反转对数规律 : 规律 Cd1 超对数规律 : 规律 Z电位器制造厂也可根据整机厂特殊要求设计制作其他电阻变化规律的电位器。3111 耐久性(1) 机械耐久性 (耐磨寿命 )在规定的试验条件下 , 使电位器性能的降低程度保持在技术规范允许范围内时 , 电位器驱动机构得到的运转周数 (动触点沿电阻元件工作道往返运行一次为一周 )。各种类型电位器的耐磨寿命的典型值如表 6。表 6 各种类型电位器的耐磨寿命电位器种类 合成碳膜 玻璃釉 导电塑料 线绕预 调 型合成碳膜 玻璃釉耐磨寿命 周 5 000 25 000 10 000 30 000 106 108 500 1
22、00 200运转速度 周 m in- 1 10 17 10 17 10 17 5 10 5 10 5 10(2) 电气耐久性在规定的负荷和动触点不运动的试验条件下 , 电位器能连续正常工作而其性能保持在技术规范允许范围内的时间。按 IEC 规定 , 电位器的电气耐久性为 1 000 h。3112 绝缘电压定义为在连续正常工作的条件下 , 可以施加在电位器引出端和其外部导体之间的最大峰值电压。对于多联电位器来说 , 应在每一联引出端和其他各联的引出端之间进行测量。在正常气压下绝缘电压值应不小于电阻体极限电压的 1142 倍。3113 电阻体极限电压定义为可以施加在电位器电阻体两端之间的最大直流电
23、压值或交流有效电压值。采用交流有效值时 , 电压峰值不得超过有效值的1142 倍。电阻体极限电压通常为 20 250 V ,对于具体产品 , 其电阻体极限电压在产品标准中给出。3114 耐电压定义为加在电位器引出端和其外部导体之间 ; 多联电位器应在每一联的引出端和其他各联的引出端之间 ; 带开关电位器的开关引出端与电位器引出端和其外部导体之间的交流电压 (频率为 40 60H z) 施加 1 m in, 不应发生损伤、火花、绝缘破坏。可将各引出端一起连接起来进行测量。耐电压通常为交流 1001 000 V , 对于具体产品 , 其耐电压在产品标准中给出。4 电位器使用注意事项线路设计人员和使
24、用元件的工程技术人员在选择和使用电位器时 , 需要考虑到全部机械结构和电气方面的要求 , 同时还应注意电位器的安装和使用要求 , 否则会影响使用性能和可靠性。选用电位器首先要以经济的观点来考察其性能指标 , 也就是说 , 要根据电位器在线路中所起的作用来确定哪些是重要的参数。对一些不重要的参数则不必过于苛求。例如对于预调电位器来说 , 一旦调整好后 , 一般不再调整 ,在相当长时间里 , 保持其原状态工作。因此其耐磨寿命、动噪声要求不高。预调电位器在电路中通常作变阻器调节电流用 , 所以其接触电64 E lectron Com pon M ater V o l115 N o16 1995-20
25、05 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.阻变化、动触点极限电流和接触可靠性就显得很重要。而对于设备、仪器面板上使用的电位器 , 多起分压器作用 , 而且需要经常调节 , 所以对耐磨寿命、动噪声都有严格要求。对特殊用途的电位器 , 应根据其实际需要加以选择。有的设计人员认为元件的所有电气参数都应有较高指标 , 才能保证其设计要求 , 这是很不科学的。如有的设计师对预调电位器不但动噪声按面板电位器去要求 , 甚至对电阻膜层和银电极接处的突跳也视为不允许 , 这就使设计同实际需要相脱离 , 不仅缺乏科学性 , 也
26、缺乏经济性。鉴于上述指导思想 , 提出以下几点使用中需要注意的问题 :(1) 应使电位器工作于额定功率范围内。由于设计、使用不当使功率耗散超过额定值时 , 会造成电位器内部过热而损坏。注意环境温度对电位器的影响 , 特别是在高温情况下 ,负荷应根据产品标准规定的降功率曲线设计。(2) 在使用中 , 当允许直流电流通过电位器的动触点时 , 可能会出现阳极氧化的问题。这种情况下 , 最好用负端连接元件 , 用正端连接动触点 , 见图 9。图 9 电位器引出端的连接(3) 在使用电位器时 , 应控制动触点电流小于动触点极限电流。除了保证线路设计正确外 , 还不能随意加大负载电流。在进行电位器检测时
27、, 如测量终端电阻或检测电位器输出时 , 切勿使用普通三用表。因为三用表中的电源会形成 300 400 mA 的电流流过动触点。该电流很可能会烧毁电阻元件。检测电位器一定要用数字欧姆表。(4) 在设计线路时 , 对于预调电位器 , 应尽量使其动触点处于总电气行程的中段位置使用。应绝对避免在接近两终端位置使用。最好避开前后终端 30转角进行设计。在线路设计中 , 往往需要设计一个串联电阻 , 改变此电阻阻值 , 即可改变电位器动触点的工作位置。当然应以合理选择电位器的总阻值为前提。(5) 在设计线路时 , 应设计成电位器调节到某些位置时不能造成电路中电流过大的线路 , 以免烧毁电位器或其他元件。
28、(6) 在电位器焊接时 , 注意选用适当的温度。并非温度越高 , 焊接速度越快 , 质量就越好。仅需加上达到良好焊接所需的热量。在波峰焊接时采用能保证良好的焊点的通过速度。加热时间过长 , 热量过多 , 有可能造成电阻元件与引出端之间连接损坏或电阻值漂移。另外一定要注意焊剂用量适中 , 以免焊料浸入电位器 , 造成额外噪声甚至接触不良。因此应考虑适当的保护措施 , 在波峰焊接前让助焊剂充分干燥。(7)应尽量避免在有害物质的气氛中使用电位器 , 如 SO 2、 N H 3、碱溶液、油脂等 , 以免引起电阻元件、塑料或金属材料的腐蚀。(8) 在安装电位器时 , 应安装在平整的面上。对轴施加的力、引
29、出端的强度、终端止档强度、螺母扭紧力矩等安装要求都应符合电位器厂家的规定。(9) 为了能获得更好的品质 , 应尽量按电位器的技术标准选择。5 参考文献1 GB T 15298294 电子设备用电位器 第一部分 : 总规范 12 刘盛武译 1 电位器基础及其应用 1 北京 : 国防工业出版社 , 1984何昭强 毕业于电子科技大学电子元件与材料专业 , 现任国营第 715 厂电子二厂工程师 , 从事电位器装配工艺及设计工作 , 发表论文多篇。(编辑 : 伍大志 )741996 年 12 月 电 子 元 件 与 材 料 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
