電圧センサー：動作原理、種類および回路図

電圧センサーとは

電圧センサーは、物体の電圧量を計算および監視するために使用されるセンサーです。電圧センサーは、交流電圧または直流電圧レベルを決定することができます。このセンサーの入力は電圧であり、出力はスイッチ、アナログ電圧信号、電流信号、または音声信号です。

センサーは、特定の種類の電気または光学信号を感知または識別し、それに反応する装置です。電圧センサーと電流センサー技術の実装は、従来の電流および電圧測定方法にとって優れた選択肢となっています。

この記事では、電圧センサーについて詳しく説明します。電圧センサーは、供給電圧を決定、監視、測定することができます。これは、交流レベルおよび/または直流電圧レベルを測定することができます。電圧センサーへの入力は電圧自体であり、出力はアナログ電圧信号、スイッチ、音声信号、アナログ電流レベル、周波数、または周波数変調出力などになります。

つまり、一部の電圧センサーは正弦波またはパルス列を出力として提供でき、他のものは振幅変調、パルス幅変調、または周波数変調出力を生成することができます。

電圧センサーでは、測定は電圧分割器に基づいています。主に2つのタイプの電圧センサーが利用可能です：静電容量型電圧センサーと抵抗型電圧センサーです。

静電容量型電圧センサー

私たちは、コンデンサは2つの導体（または2枚のプレート）で構成されていることを知っています。これらのプレート間に非導体が配置されています。

その非導体材料はダイエレクトリックと呼ばれます。これらのプレート間に交流電圧が提供されると、電子の吸引力または反発力により、対向するプレートの電圧を通じて電流が流れ始めます。

プレート間の電界は、ハードウェア接続なしで完全な交流回路を作り出します。これがコンデンサの動作原理です。

次に、直列に接続された2つのコンデンサでの電圧分割について説明します。通常、直列回路では、高インピーダンスを持つコンポーネントに高電圧が発生します。コンデンサの場合、キャパシタンスとインピーダンス（キャパシティブリアクタンス）は常に逆比例します。

電圧とキャパシタンスの関係は

Q → 電荷（クーロン）
C → キャパシタンス（ファラド）
XC → キャパシティブリアクタンス（Ω）
f → 周波数（ヘルツ）

上記の2つの関係から、最も高い電圧が最小のコンデンサに蓄積されることが明らかです。コンデンサ型電圧センサーはこの簡単な原理に基づいて動作します。センサーを持って、その先端をライブ導体に近づけると仮定します。

ここでは、高インピーダンスのセンシング要素を直列キャパシティブ結合回路に挿入しています。

現在、センサーの先端はライブ電圧に結合された最小のコンデンサです。したがって、センシング回路全体に電圧が発生し、それが検出され、ライトやブザーのインジケータがオンになります—これが家庭で使用する非接触式電圧センサーの背後にある原理です。

抵抗型電圧センサー

センシング要素の抵抗を電圧に変換する方法は2つあります。最初の方法は最も単純な方法で、センサーと基準抵抗で構成された抵抗分圧回路に電圧を供給します。これは以下の図で示されています。

基準抵抗またはセンサーに発生する電圧はバッファリングされ、アンプに与えられます。センサーの出力電圧は以下のように表すことができます。

この回路の欠点は、存在するアンプがセンサー全体に発生する電圧を増幅することです。しかし、センサーの抵抗の変化による電圧変化のみを増幅することが望ましく、これは以下の抵抗橋を使用する第2の方法で達成されます。

ここで、出力電圧は

R1 = R の場合、出力電圧はほぼ

A → 測定用アンプのゲイン
δ → センサーの抵抗の変化、これは何らかの物理的動作に対応する

この式では、ゲインを高く設定する必要があります。なぜなら、センサーの抵抗の変化による電圧変化のみを増幅しているからです。