Spannungssensor: Arbeitsprinzip, Arten & Schaltplan
Was ist ein Spannungssensor
Ein Spannungssensor ist ein Sensor, der verwendet wird, um die Menge der Spannung in einem Objekt zu berechnen und zu überwachen. Spannungssensoren können die AC- oder DC-Spannungsstufe bestimmen. Die Eingabe dieses Sensors ist die Spannung, während die Ausgabe Schalter, analoge Spannungssignale, Stromsignale oder akustische Signale sein kann.
Sensoren sind Geräte, die bestimmte Arten von elektrischen oder optischen Signalen wahrnehmen, identifizieren und darauf reagieren können. Die Implementierung von Spannungssensoren und Stromsensoren hat sich als ausgezeichnete Wahl für die konventionellen Methoden zur Messung von Strom und Spannung erwiesen.
In diesem Artikel können wir einen Spannungssensor detailliert besprechen. Ein Spannungssensor kann die Versorgungsspannung bestimmen, überwachen und messen. Er kann die AC- und/oder DC-Spannungsstufe messen. Die Eingabe des Spannungssensors ist die Spannung selbst, und die Ausgabe kann analoge Spannungssignale, Schalter, akustische Signale, analoge Strompegel, Frequenz oder sogar frequenzmodulierte Ausgänge sein.
Das heißt, einige Spannungssensoren können Sine oder Pulsreihen als Ausgabe liefern, und andere können Amplitudenmodulation, Pulsdurchstoßbreitenmodulation oder Frequenzmodulation ausgeben.
Bei Spannungssensoren basiert die Messung auf einem Spannungsteiler. Zwei Haupttypen von Spannungssensoren sind verfügbar: kapazitiver Spannungssensor und widerständiger Spannungssensor.
Kapazitiver Spannungssensor
Wir wissen, dass ein Kondensator aus zwei Leitern (oder zwei Platten) besteht; zwischen diesen Platten befindet sich ein Nichtleiter.
Dieses nicht leitfähige Material wird als Dielektrikum bezeichnet. Wenn eine Wechselspannung an diese Platten angelegt wird, beginnt der Strom, aufgrund der Anziehung oder Abstoßung der Elektronen durch die Spannung der gegenüberliegenden Platte, zu fließen.
Das Feld zwischen den Platten erzeugt einen vollständigen Wechselstromkreis ohne jede Hardwareverbindung. So funktioniert ein Kondensator.
Als Nächstes können wir die Spannungsteilung bei zwei in Serie geschalteten Kondensatoren diskutieren. In Regelkreisen entsteht in der Regel eine hohe Spannung an dem Bauteil mit hoher Impedanz. Im Falle von Kondensatoren sind Kapazität und Impedanz (kapazitive Reaktanz) immer invers proportional.
Die Beziehung zwischen Spannung und Kapazität lautet
Q → Ladung (Coulomb)
C → Kapazität (Farad)
XC → Kapazitive Reaktanz (Ω)
f → Frequenz (Hertz)
Aus den beiden obigen Beziehungen können wir klar feststellen, dass die höchste Spannung an dem kleinsten Kondensator anfallen wird. Kapazitive Spannungssensoren arbeiten nach diesem einfachen Prinzip. Nehmen wir an, wir halten den Sensor und legen seine Spitze in die Nähe eines lebenden Leiters.
Hier fügen wir das Sensorelement mit hoher Impedanz in einen Serienkapazitätskopplungskreis ein.
Derzeit ist die Spitze des Sensors der kleinste Kondensator, der an die lebende Spannung gekoppelt ist. Somit entsteht die gesamte Spannung im Sensorkreis, der die Spannung erkennen kann, und das Licht- oder Summeranzeigeelement schaltet sich ein. Dies ist das Prinzip hinter den berührungsfreien Spannungssensoren, die Sie zu Hause verwenden.
Widerständiger Spannungssensor
Es gibt zwei Möglichkeiten, den Widerstand des Sensorelements in eine Spannung umzuwandeln. Die erste Methode ist die einfachste, bei der eine Spannung an den Widerstandsbrückenschaltkreis aus Sensor und Referenzwiderstand angelegt wird, wie unten dargestellt.
Die Spannung, die an dem Referenzwiderstand oder dem Sensor anfällt, wird gepuffert und dann an den Verstärker gegeben. Die Ausgangsspannung des Sensors kann wie folgt ausgedrückt werden
Der Nachteil dieses Schaltkreises besteht darin, dass der vorhandene Verstärker die gesamte Spannung, die am Sensor anfällt, verstärkt. Es wäre jedoch besser, nur die Spannungsänderung aufgrund der Änderung des Widerstands des Sensors zu verstärken, was durch die zweite Methode erreicht wird, die die Widerstandsbrücke implementiert, wie unten dargestellt.
Hier lautet die Ausgangsspannung
Wenn R1 = R, dann beträgt die Ausgangsspannung etwa
A → Verstärkung des Instrumentenverstärkers
δ → Änderung des Widerstands des Sensors, die analog zu einer physikalischen Aktion ist
In dieser Gleichung muss die Verstärkung hoch eingestellt werden, da nur die Spannungsänderung aufgrund der Änderung des Widerstands des Sensors verstärkt wird.
