مستشعر الجهد: مبدأ العمل والأنواع ورسم الدائرة

ما هو جهاز استشعار الجهد

جهاز استشعار الجهد هو جهاز يستخدم لحساب ومراقبة كمية الجهد في جسم ما. يمكن لأجهزة استشعار الجهد تحديد مستوى الجهد المتردد أو المستمر. المدخل لهذا الاستشعار هو الجهد، بينما المخرج قد يكون مفاتيح أو إشارة جهد أنالوجية أو إشارة تيار أو إشارة صوتية.

أجهزة الاستشعار هي أجهزة يمكنها الشعور أو التعرف والتفاعل مع أنواع معينة من الإشارات الكهربائية أو الضوئية. أصبحت تنفيذ تقنيات أجهزة استشعار الجهد وأجهزة استشعار التيار خيارًا رائعًا للطرق التقليدية لقياس التيار والجهد.

في هذا المقال، سنناقش جهاز استشعار الجهد بالتفصيل. يمكن لجهاز استشعار الجهد تحديد ومراقبة وقياس مصدر الجهد. يمكنه قياس مستوى الجهد المتردد أو المستمر. المدخل لجهاز استشعار الجهد هو الجهد نفسه، والمخرج يمكن أن يكون إشارات جهد أنالوجية أو مفاتيح أو إشارات صوتية أو مستويات تيار أنالوجية أو تردد أو حتى إخراج مدول بتكرار.

أي أنه بعض أجهزة استشعار الجهد يمكن أن توفر سلاسل جيبية أو نبضية كإخراج، وبعضها الآخر يمكن أن ينتج تعديلات على السعة أو عرض النبضة أو تعديلات على التردد.

في أجهزة استشعار الجهد، يتم القياس على أساس مقسّم الجهد. هناك نوعان رئيسيان من أجهزة استشعار الجهد متاحة: جهاز استشعار الجهد الكاباسيتي وجهاز استشعار الجهد الرستيفي.

جهاز استشعار الجهد الكاباسيتي

نعلم أن المكثف يتكون من موصلين (أو لوحتين)؛ بين هاتين اللوحتين يوجد مادة غير موصلة.

تُسمى هذه المادة غير الموصلة بالديايلاكتريك. عندما يتم تقديم جهد متردد عبر هذه الألواح، سيبدأ التيار في المرور بسبب جذب الإلكترونات أو دفعها عبر الجهد المقابل لللوحة الأخرى.

سيخلق المجال بين الألواح دائرة كهربائية متكاملة دون أي اتصال مادي. وهكذا يعمل المكثف.

بعد ذلك، يمكننا مناقشة تقسيم الجهد في مكثفين متصلين بالتوالي. عادةً، في الدوائر المتتابعة، سيتم تطوير جهد عالٍ عبر المكون ذي المقاومة العالية. في حالة المكثفات، تكون المكثفة والمقاومة (المقاومة الكاباسيتية) دائمًا متناسبة عكسياً.

العلاقة بين الجهد والمكثفة هي

Q → شحنة (كوولوم)
C → مكثفة (فاراد)
XC → المقاومة الكاباسيتية (أوم)
f → التردد (هرتز)

من خلال هاتين العلاقةين، يمكننا القول بوضوح أن الجهد الأعلى سيتراكم عبر المكثف الأصغر. تعمل أجهزة استشعار الجهد الكاباسيتية على أساس هذا المبدأ البسيط. فلنفترض أننا نحمل الاستشعار ونضع طرفه بالقرب من موصل حي.

هنا، نقوم بإدخال عنصر الاستشعار ذو المقاومة العالية في دائرة توصيل كاباسيتية متتابعة.

حالياً، طرف الاستشعار هو المكثف الأصغر المتصل بالجهد الحي. وبالتالي، سيتم تطوير الجهد الكامل عبر دائرة الاستشعار التي يمكنها اكتشاف الجهد، وسيتم تشغيل مؤشر الضوء أو المنبه—وهذا هو ما خلف أجهزة استشعار الجهد اللاسلكية التي تستخدمها في المنزل.

جهاز استشعار الجهد الرستيفي

هناك طريقتان لتحويل مقاومة عنصر الاستشعار إلى جهد. الأولى هي الطريقة الأكثر بساطة، وهي توفير جهد لمقسم المقاومة المكون من الاستشعار ومقاوم مرجعي، كما هو موضح أدناه.

الجهد الذي يتطور عبر المقاوم المرجعي أو الاستشعار يتم توسعته ثم تقديمه إلى المكبّر. يمكن التعبير عن جهد الخرج لجهاز الاستشعار كالآتي

العيوب في هذه الدائرة هي أن المكبّر الموجود سيكبّر الجهد الكامل الذي يتطور عبر الاستشعار. ولكن من الأفضل كبر فقط التغير في الجهد بسبب التغير في مقاومة الاستشعار، وهو ما يتم تحقيقه بواسطة الطريقة الثانية باستخدام جسر المقاومة، كما هو موضح أدناه.

هنا، جهد الخرج هو

عندما R1 = R، فإن جهد الخرج يصبح تقريباً

A → مكسب المكبّر
δ → التغيير في مقاومة الاستشعار، والذي يكون مماثلاً لبعض الإجراءات الفيزيائية

في هذه المعادلة، يجب ضبط المكسب ليكون عالياً لأنه يتم كبر فقط التغيير في الجهد بسبب التغيير في مقاومة الاستشعار.