Czujnik napięcia: zasada działania typy i schemat obwodu

Co to jest czujnik napięcia

Czujnik napięcia to czujnik używany do obliczania i monitorowania ilości napięcia w obiekcie. Czujniki napięcia mogą określić poziom napięcia przemiennego lub stałego. Wejściem tego czujnika jest napięcie, natomiast wyjściem są przełączniki, sygnał napięcia analogowego, sygnał prądowy lub dźwiękowy.

Czujniki to urządzenia, które mogą rozpoznawać lub identyfikować oraz reagować na pewne typy sygnałów elektrycznych lub optycznych. Zastosowanie technik czujników napięcia i prądu stało się doskonałym wyborem dla tradycyjnych metod pomiaru prądu i napięcia.

W tym artykule omówimy czujnik napięcia szczegółowo. Czujnik napięcia może określić, monitorować i mierzyć podstawowe napięcie. Może mierzyć poziom napięcia przemiennego i/lub stałego. Wejściem do czujnika napięcia jest samo napięcie, a wyjściem mogą być sygnały napięcia analogowego, przełączniki, sygnały dźwiękowe, poziomy prądu analogowego, częstotliwość lub nawet sygnały zmodulowane częstotliwościowo.

To znaczy, że niektóre czujniki napięcia mogą dostarczać sinusoidy lub szeregi impulsów jako wyjście, a inne mogą generować sygnały zmodulowane amplitudowo, szerokością impulsu lub częstotliwościowo.

W czujnikach napięcia pomiar opiera się na dzielniku napięcia. Dostępne są dwa główne rodzaje czujników napięcia: czujnik napięcia typu kondensacyjnego i czujnik napięcia typu rezystancyjnego.

Czujnik napięcia typu kondensacyjnego

Wiemy, że kondensator składa się z dwóch przewodników (lub dwóch płyt); między tymi płytami znajduje się nieprzewodnik.

Ten materiał nieprzewodzący nazywamy dielektrykiem. Gdy napięcie przemiennego jest podane do tych płytek, prąd zacznie przepływać ze względu na przyciąganie lub odpychanie elektronów przez napięcie na przeciwległej płycie.

Pole między płytkami stworzy pełne obwody AC bez żadnych fizycznych połączeń. W ten sposób działa kondensator.

Następnie możemy omówić podział napięcia w dwóch kondensatorach połączonych szeregowo. Zazwyczaj w obwodach szeregowych, wysokie napięcie powstaje na elemencie o wysokiej impedancji. W przypadku kondensatorów, pojemność i impedancja (reaktancja pojemnościowa) są zawsze odwrotnie proporcjonalne.

Relacja między napięciem a pojemnością wynosi

Q → Ładunek (Kulomb)
C → Pojemność (Farad)
XC → Reaktancja pojemnościowa (Ω)
f → Częstotliwość (Hertz)

Z powyższych dwóch relacji można jasno stwierdzić, że najwyższe napięcie akumuluje się na najmniejszym kondensatorze. Czujniki napięcia kondensacyjne działają na tej prostej zasadzie. Załóżmy, że trzymamy czujnik i umieszczamy jego końcówkę blisko żywej przewodnicy.

Tutaj wstawiamy element czujnika o wysokiej impedancji do szeregowego obwodu sprzężenia pojemnościowego.

Obecnie, końcówka czujnika jest najmniejszym kondensatorem sprzężonym z livelym napięciem. W związku z tym, całe napięcie powstanie na obwodzie czujnika, który może wykryć napięcie, a wskaźnik światła lub brzęczyka zostanie włączony—tak działa czujnik napięcia bezkontaktowy, którego używasz w domu.

Czujnik napięcia typu rezystancyjnego

Istnieją dwa sposoby przekształcenia oporu elementu czujnika w napięcie. Pierwszy z nich to najprostsza metoda, polegająca na podaniu napięcia do obwodu dzielnika rezystorów składającego się z czujnika i referencyjnego rezystora, przedstawionego poniżej.

Napięcie rozwinięte na referencyjnym rezystorze lub czujniku jest buforowane, a następnie podawane do wzmacniacza. Wyjściowe napięcie czujnika można wyrazić jako

Wada tego obwodu polega na tym, że obecny wzmacniacz wzmacnia całe napięcie rozwinięte na czujniku. Lepiej jednak wzmacniać tylko zmianę napięcia spowodowaną zmianą oporu czujnika, co jest osiągane przez drugą metodę z użyciem mostu rezystancyjnego, jak pokazano poniżej.

Tutaj, wyjściowe napięcie wynosi

Gdy R1 = R, to wyjściowe napięcie staje się przybliżone