Feszültségszensor: Működési elv, típusok és áramkör-diagram
Milyen egy feszültségszintmérő?
A feszültségszintmérő olyan érzékelő, amelyet a feszültség mérése és figyelése céljából használnak. A feszültségszintmérők képesek az AC vagy DC feszültség szintjének meghatározására. Az érzékelő bemenete a feszültség, míg a kimenete kapcsolók, analóg feszültségjel, áramjel vagy hallható jel lehet.
Az érzékelők olyan eszközök, amelyek bizonyos típusú elektrikus vagy optikai jeleket érzékelnek, felismernek és reagálnak rájuk. A feszültségszintmérő és az áramérző technikák bevezetése nagyszerű választást nyújtott a hagyományos áram- és feszültségmérési módszerekhez képest.
Ebben a cikkben részletesen tárgyaljuk a feszültségszintmérőt. A feszültségszintmérő képes a feszültség megállapítására, figyelésére és mérésére. Képes az AC és/vagy DC feszültség szintjének mérésére. A feszültségszintmérő bemenete a feszültség maga, míg a kimenet analóg feszültségjel, kapcsolók, hallható jel, analóg áramszint, frekvencia vagy akár frekvencia-modulált kimenet is lehet.
Ez azt jelenti, hogy néhány feszültségszintmérő szinusvagy impulzus-halmazokat adhat ki, míg mások amplitúdómódulált, impulzusszélesség-módulált vagy frekvencia-módulált kimenetet tudnak előállítani.
A feszültségszintmérők működésének alapja a feszültségosztó. Két fő típusú feszültségszintmérő létezik: kapacitív feszültségszintmérő és ellenállásos feszültségszintmérő.
Kapacitív Feszültségszintmérő
Tudjuk, hogy a kondenzátor két vezetőből (vagy két lemezről) áll; ezen lemezek között egy nemvezető anyag található.
Ezt a nemvezető anyagot dielektrikusnak nevezzük. Ha egy AC feszültséget adunk a lemezek között, az elektromos töltések elkezdik áthaladni a lemezek között, a másik lemez feszültségének vonzására vagy taszítására.
A lemezek közötti mező teljes AC áramkört hoz létre, anélkül, hogy bármilyen hardveres kapcsolat lenne. Így működik a kondenzátor.
Most pedig beszélünk két sorban lévő kondenzátor feszültségosztásáról. Általánosságban, a sorban lévő áramkörökben a magas feszültség fejlődik ki a nagy impedanciájú komponensnél. A kondenzátorok esetében a kapacitás és az impedancia (kapacitív reaktancia) mindig fordítottan arányosak.
A feszültség és a kapacitás közötti összefüggés:
Q → Töltés (Coulomb)
C → Kapacitás (Farad)
XC → Kapacitív reaktancia (Ω)
f → Frekvencia (Hertz)
A fentebb említett két összefüggésből világosan kimondhatjuk, hogy a legmagasabb feszültség a legkisebb kondenzátoron fejlődik ki. A kondenzátoros feszültségszintmérők ennek egyszerű elvén működnek. Tegyük fel, hogy tartjuk az érzékelőt, és helyezzük a végét egy élővezető közelébe.
Itt a magas impedanciájú érzékelőelemet egy soros kapacitív csatoló áramkörbe helyezzük.
Jelenleg az érzékelő végtagja a legkisebb kondenzátor, amely csatolt a live feszültségre. Így a teljes feszültség fejlődik ki az érzékelő áramkörön, ami képes a feszültség detektálására, és a fény- vagy hangindikátor bekapcsolódik—ez a háztartási nemszoros feszültségérzékelők működési elve.
Ellenállásos Feszültségszintmérő
Két mód létezik a szenzorelem ellenállásának feszültségbe való konvertálására. Az első a legegyszerűbb, amelyben feszültséget adunk egy ellenállásos osztó áramkörhöz, amely a szenzorból és egy referenciákból áll, amit látunk a következő ábrán.
A referencia ellenállás vagy a szenzoron kifejlesztett feszültséget bufferteljük, majd továbbítjük az erősítőre. A szenzor kimeneti feszültsége a következőképpen fejezhető ki:
Ennek a körnek a hátránya, hogy az erősítő minden feszültséget erősíti, amely a szenzoron fejlődik ki. Jobb azonban csak a szenzor ellenállásának változásából eredő feszültség-változást erősíteni, amit a második módszer, a ellenállás-híd implementálása segítségével érhetünk el, ahogyan az a következő ábrán látható.
Itt a kimeneti feszültség:
