Cảm biến điện áp: Nguyên lý hoạt động, các loại và sơ đồ mạch

Cảm biến điện áp là gì?

Cảm biến điện áp là cảm biến được sử dụng để tính toán và theo dõi lượng điện áp trong một vật thể. Cảm biến điện áp có thể xác định mức điện áp AC hoặc DC. Đầu vào của cảm biến này là điện áp, trong khi đầu ra có thể là công tắc, tín hiệu điện áp tương tự, tín hiệu dòng điện, hoặc tín hiệu âm thanh.

Các cảm biến là thiết bị có thể nhận biết hoặc xác định và phản ứng với các loại tín hiệu điện hoặc quang học nhất định. Việc triển khai cảm biến điện áp và kỹ thuật cảm biến dòng điện đã trở thành lựa chọn tuyệt vời cho các phương pháp đo lường dòng điện và điện áp truyền thống.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về cảm biến điện áp. Cảm biến điện áp có thể xác định, theo dõi và đo lường nguồn cung cấp điện áp. Nó có thể đo mức điện áp AC và/hoặc DC. Đầu vào của cảm biến điện áp chính là điện áp, và đầu ra có thể là tín hiệu điện áp tương tự, công tắc, tín hiệu âm thanh, mức dòng điện tương tự, tần số, hoặc thậm chí là đầu ra điều chế tần số.

Điều đó có nghĩa là, một số cảm biến điện áp có thể cung cấp các chuỗi xung hoặc tín hiệu hình sin làm đầu ra, và những cảm biến khác có thể tạo ra đầu ra điều chế biên độ, điều chế rộng xung, hoặc điều chế tần số.

Trong cảm biến điện áp, việc đo lường dựa trên bộ phân chia điện áp. Có hai loại cảm biến điện áp chính: cảm biến điện áp kiểu tụ điện và cảm biến điện áp kiểu điện trở.

Cảm biến điện áp kiểu tụ điện

Chúng ta biết rằng tụ điện bao gồm hai dẫn điện (hoặc hai bản cực); giữa các bản cực này, một chất không dẫn điện được giữ.

Chất không dẫn điện này được gọi là môi chất cách điện. Khi một điện áp AC được cung cấp qua các bản cực, dòng điện sẽ bắt đầu đi qua do sự hấp dẫn hoặc đẩy của các electron thông qua điện áp ở bản cực đối diện.

Trường điện giữa các bản cực sẽ tạo ra một mạch AC hoàn chỉnh mà không cần kết nối phần cứng nào. Đó là cách hoạt động của tụ điện.

Tiếp theo, chúng ta có thể thảo luận về việc phân chia điện áp trong hai tụ điện mắc nối tiếp. Thông thường, trong các mạch nối tiếp, điện áp cao sẽ phát sinh trên thành phần có trở kháng cao. Trong trường hợp của tụ điện, dung lượng và trở kháng (trở kháng điện dung) luôn tỷ lệ nghịch.

Mối quan hệ giữa điện áp và dung lượng là

Q → Điện tích (Coulomb)
C → Dung lượng (Farad)
XC → Trở kháng điện dung (Ω)
f → Tần số (Hertz)

Từ hai mối quan hệ trên, chúng ta có thể khẳng định rằng điện áp cao nhất sẽ tích tụ trên tụ điện nhỏ nhất. Các cảm biến điện áp kiểu tụ điện hoạt động dựa trên nguyên lý đơn giản này. Giả sử chúng ta đang cầm cảm biến và sau đó đặt đầu của nó gần một dây dẫn có điện.

Ở đây, chúng ta đang đưa phần tử cảm biến có trở kháng cao vào một mạch ghép tụ điện mắc nối tiếp.

Hiện tại, đầu của cảm biến là tụ điện nhỏ nhất được ghép với điện áp có điện. Do đó, toàn bộ điện áp sẽ phát sinh trên mạch cảm biến, có thể phát hiện điện áp, và đèn báo hoặc tín hiệu âm thanh sẽ được bật—đây là cơ chế đằng sau các cảm biến điện áp không tiếp xúc mà bạn sử dụng tại nhà.

Cảm biến điện áp kiểu điện trở

Có hai cách để chuyển đổi điện trở của phần tử cảm biến thành điện áp. Cách thứ nhất là cách đơn giản nhất, đó là cung cấp một điện áp cho mạch phân chia điện trở bao gồm cảm biến và điện trở tham chiếu, được biểu diễn dưới đây.

Điện áp phát sinh trên điện trở tham chiếu hoặc cảm biến được đệm và sau đó cung cấp cho ampli. Điện áp đầu ra của cảm biến có thể được biểu diễn như sau

Nhược điểm của mạch này là ampli sẽ khuếch đại toàn bộ điện áp phát sinh trên cảm biến. Tuy nhiên, tốt hơn là chỉ khuếch đại điện áp thay đổi do thay đổi điện trở của cảm biến, điều này đạt được bằng cách thứ hai sử dụng cầu điện trở, như được hiển thị dưới đây.

Ở đây, điện áp đầu ra là

Khi R1 = R, thì điện áp đầu ra trở thành khoảng

A → Hệ số khuếch đại của ampli đo lường
δ → Thay đổi điện trở của cảm biến, tương đương với một hành động vật lý nào đó

Trong phương trình này, hệ số khuếch đại phải được đặt cao vì chỉ khuếch đại điện áp thay đổi do thay đổi điện trở của cảm biến.