Arten von Wandlern

Wandler: Definition, Funktionen und Klassifizierung

Ein Wandler ist ein elektronisches Gerät, das eine wichtige Rolle bei der Umwandlung physikalischer Größen in elektrische Signale spielt. Er erfüllt zwei grundlegende Funktionen: Erfassung und Transduktion. Zuerst detektiert er die interessierende physikalische Größe, wie Temperatur, Druck oder Verschiebung. Dann transformiert er diese physikalische Größe entweder in mechanische Arbeit oder, häufiger, in ein elektrisches Signal, das leicht gemessen, verarbeitet und analysiert werden kann.

Wandler kommen in einer Vielzahl von Typen vor und können nach mehreren unterschiedlichen Kriterien kategorisiert werden:

• Basierend auf dem verwendeten Transduktionsmechanismus: Diese Klassifizierung konzentriert sich auf die spezifischen physikalischen oder chemischen Prozesse, durch die der Wandler die eingegebene physikalische Größe in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt. Verschiedene Transduktionsmechanismen sind für verschiedene Arten von Messungen und Anwendungen optimiert, was präzise und zuverlässige Erfassung über einen breiten Spektrum von physikalischen Phänomenen ermöglicht.

• Als primäre und sekundäre Wandler: Ein primärer Wandler wandelt die gemessene physikalische Größe direkt in ein elektrisches Signal um. Im Gegensatz dazu arbeitet ein sekundärer Wandler in Verbindung mit einem primären Wandler, indem er das vom primären Gerät generierte elektrische Signal weiter modifiziert oder verarbeitet, um seine Nutzbarkeit oder Genauigkeit zu verbessern.

• Als passive und aktive Wandler: Passive Wandler verlassen sich auf eine externe Stromquelle, um zu funktionieren, und produzieren ein Ausgangssignal, das eine Funktion der eingegebenen physikalischen Größe und der angewandten Energie ist. Aktive Wandler hingegen enthalten ihre eigene Stromquelle und können ein Ausgangssignal ohne externe Stromversorgung erzeugen, wodurch oft eine größere Empfindlichkeit und Signalstärke erreicht wird.

• Als analoge und digitale Wandler: Analogwandler erzeugen ein Ausgangssignal, das kontinuierlich mit der eingegebenen physikalischen Größe variiert, meist in Form einer Spannung oder eines Stroms. Digitale Wandler hingegen wandeln die eingegebene Größe in ein diskretes digitales Signal um, was einfacher zu verarbeiten, zu speichern und zu übertragen ist, wenn moderne digitale Elektronik und Rechnersysteme verwendet werden.

• Als Wandler und inverse Wandler: Ein standardmäßiger Wandler wandelt eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal um. Ein inverser Wandler nimmt dagegen ein elektrisches Signal als Eingabe und wandelt es zurück in eine physikalische Größe, wodurch der Prozess eines traditionellen Wandlers umgekehrt wird. Dieses Konzept ist nützlich in Anwendungen, bei denen eine elektrische Steuerung erforderlich ist, um eine spezifische physikalische Reaktion zu erzeugen.

Im Betrieb empfängt ein Wandler den Messwert – die gemessene physikalische Größe – und erzeugt ein Ausgangssignal, das proportional zur Größe der Eingabe ist. Dieses Ausgangssignal wird dann an ein Signalverarbeitungsgerät übertragen. Dort unterliegt das Signal einer Reihe von Prozessen, einschließlich Dämpfung (Anpassung der Signalamplitude), Filterung (Entfernen unerwünschter Rauschanteile oder Frequenzen) und Modulation (Codieren des Signals für bessere Übertragung oder Verarbeitung). Diese Schritte stellen sicher, dass das endgültige Signal in optimaler Form für nachfolgende Analysen, Anzeigen oder Steuerungsvorgänge ist.

Die Eingangsgröße eines Wandlers ist in der Regel eine nicht-elektrische Größe, während das Ausgangselektrische Signal in Form von Strom, Spannung oder Frequenz sein kann.

1. Klassifizierung basierend auf dem Prinzip der Transduktion

Wandler können nach dem verwendeten Transduktionsmedium klassifiziert werden. Das Transduktionsmedium kann widerstandsbasiert, induktiv oder kapazitiv sein. Diese Klassifizierung wird durch den Umwandlungsprozess bestimmt, durch den der Eingangswandler das Eingangssignal in Widerstand, Induktivität oder Kapazität umwandelt. Jedes Transduktionsmedium hat seine eigenen einzigartigen Eigenschaften und ist für verschiedene Messanwendungen geeignet, was die genaue Umwandlung verschiedener physikalischer Größen in elektrische Signale ermöglicht.

2. Primäre und sekundäre Wandler

• Primärer Wandler
  Ein Wandler besteht oft sowohl aus mechanischen als auch elektrischen Komponenten. Der mechanische Teil des Wandlers ist dafür verantwortlich, die eingegebenen physikalischen Größen in ein mechanisches Signal umzuwandeln. Dieser mechanische Bestandteil wird als primärer Wandler bezeichnet. Er fungiert als das initiale Sensorelement, interagiert direkt mit der gemessenen physikalischen Größe, wie Druck, Temperatur oder Verschiebung, und wandelt sie in eine mechanische Form um, die weiter verarbeitet werden kann.

• Sekundärer Wandler
  Der sekundäre Wandler nimmt das vom primären Wandler erzeugte mechanische Signal und wandelt es in ein elektrisches Signal um. Die Größe des ausgehenden elektrischen Signals steht in direktem Zusammenhang mit den Eigenschaften des eingehenden mechanischen Signals. Auf diese Weise schafft der sekundäre Wandler die Brücke zwischen dem mechanischen und dem elektrischen Bereich, sodass die ursprüngliche physikalische Größe mithilfe elektrischer Mess- und Verarbeitungstechniken gemessen und analysiert werden kann.

Beispiel für primäre und sekundäre Wandler

Nehmen wir zum Beispiel den Bourdon-Rohrdrucksensor, wie in der Abbildung unten dargestellt. Das Bourdon-Rohr dient als primärer Wandler. Es ist so konstruiert, dass es Druck erkennt und ihn in eine Verschiebung am freien Ende umwandelt. Wenn Druck auf das Rohr ausgeübt wird, verformt sich seine Form, wodurch das freie Ende bewegt wird. Diese Verschiebung dient dann als Eingang für die nächste Stufe des Systems.

Die Bewegung des freien Endes des Bourdon-Rohrs verursacht eine Verschiebung des Kerns eines Linearen Variablen Verschiebungs-Transformators (LVDT). Durch die Bewegung des Kerns im LVDT wird eine Ausgangsspannung induziert. Diese induzierte Spannung ist direkt proportional zur Verschiebung des freien Endes des Rohrs und damit auch zum ursprünglich auf das Bourdon-Rohr ausgeübten Druck.

Im Fall des Bourdon-Rohr-LVDT-Systems finden zwei verschiedene Transduktionsprozesse statt. Zunächst erfolgt die primäre Transduktion, wenn das Bourdon-Rohr Druck in Verschiebung umwandelt. Dann findet die sekundäre Transduktion statt, wenn der LVDT diese Verschiebung in ein elektrisches Spannungssignal umwandelt. Dieses Beispiel zeigt deutlich, wie primäre und sekundäre Wandler zusammenarbeiten, um eine physikalische Größe präzise zu messen und in ein elektrisches Ausgangssignal für weitere Analyse und Nutzung umzuwandeln.

Das Bourdon-Rohr dient als primärer Wandler, während der L.V.D.T. (Linear Variable Displacement Transformer) als sekundärer Wandler fungiert.

3. Passive und aktive Wandler

Wandler können auch in passive und aktive Typen unterteilt werden, jeder mit eigenen betriebsbezogenen Eigenschaften.

Passive Wandler

Ein passiver Wandler ist einer, der auf eine externe Stromversorgung angewiesen ist, um zu funktionieren, weshalb er auch als extern gesteuert bezeichnet wird. Kapazitive, resistive und induktive Wandler sind typische Beispiele für passive Wandler. Diese Wandler arbeiten, indem sie eine elektrische Eigenschaft (wie Widerstand, Kapazität oder Induktivität) in Abhängigkeit von der eingegebenen physikalischen Größe ändern. Sie erzeugen jedoch keine eigene elektrische Energie, sondern benötigen eine externe Energiequelle, um ein messbares Ausgangssignal zu erzeugen, das die Änderung der gemessenen physikalischen Größe widerspiegelt.

Aktive Wandler

Im Gegensatz dazu benötigt ein aktiver Wandler keine externe Stromquelle, um zu funktionieren. Diese Wandler sind selbstgenerierend, was bedeutet, dass sie ihr eigenes Spannungs- oder Stromausgangssignal erzeugen können. Das Ausgangssignal eines aktiven Wandlers wird direkt aus der eingegebenen physikalischen Größe abgeleitet. Aktive Wandler sind in der Lage, verschiedene physikalische Phänomene wie Geschwindigkeit, Temperatur, Kraft und Lichtintensität in elektrische Signale umzuwandeln, ohne auf eine externe Stromversorgung angewiesen zu sein. Beispiele für aktive Wandler sind piezoelektrische Kristalle, photovoltaische Zellen, Tachogeneratoren und Thermoelemente.

Beispiel: Piezoelektrischer Kristall

Um den Betrieb eines aktiven Wandlers zu illustrieren, betrachten wir einen piezoelektrischen Kristall. Ein piezoelektrischer Kristall ist in der Regel zwischen zwei metallischen Elektroden eingeschlossen, und die gesamte Anordnung ist sicher an einer Basis befestigt. Eine Masse wird dann auf diese geschichtete Struktur gelegt.

Piezoelektrische Kristalle haben die einzigartige Eigenschaft, dass sie bei Anwendung einer Kraft eine elektrische Spannung erzeugen. In der beschriebenen Anordnung kann die Basis Beschleunigung erfahren, was die Masse dazu bringt, eine Kraft auf den Kristall auszuüben. Diese Kraft induziert wiederum eine Ausgangsspannung über den Kristall. Die Größe dieser Ausgangsspannung ist direkt proportional zur Beschleunigung, die die Basis erfährt, und wandelt mechanische Beschleunigung effektiv in ein elektrisches Signal um. Dieses Beispiel zeigt deutlich, wie aktive Wandler aufgrund physikalischer Eingaben selbstständig elektrische Ausgänge erzeugen können und ihre einzigartige Funktionalität im Vergleich zu passiven Wandler hervorhebt.

Der oben erwähnte Wandler wird als Beschleunigungsmesser bezeichnet, der so konstruiert ist, dass er Beschleunigung in eine elektrische Spannung umwandelt. Bemerkenswert ist, dass dieser Wandler keinen zusätzlichen Hilfsstrom benötigt, um die physikalische Größe in ein elektrisches Signal umzuwandeln, was seine Selbstversorgungsfähigkeit bei der Signalgenerierung unterstreicht.

4. Analog- und digitale Wandler

Wandler können auch nach der Natur ihrer Ausgangssignale kategorisiert werden, die entweder kontinuierlich oder diskret sein können.

Analogwandler

Ein Analogwandler transformiert die Eingangsgröße in eine kontinuierliche Funktion. Das bedeutet, dass das Ausgangssignal glatt und kontinuierlich in Reaktion auf Änderungen der Eingabe variiert. Beispiele für Analogwandler sind Dehnungsmessstreifen, Lineare Variable Displacement Transformers (LVDTs), Thermoelemente und Thermo-Widerstände. Diese Geräte werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, in denen eine proportionale und kontinuierliche Darstellung der gemessenen physikalischen Größe erforderlich ist, wie in Präzisionsmesssystemen und industriellen Prozesssteuerungen.

Digitale Wandler

Digitale Wandler andererseits wandeln die Eingangsgröße in ein digitales Signal um, in der Regel in Form von Impulsen. Digitale Signale basieren auf binären Zuständen, die Informationen als "hoch" oder "niedrig" darstellen. Dieses digitale Ausgabeformat bietet mehrere Vorteile, einschließlich erhöhter Rauschimmunität, einfacher Integration in digitale Elektronik und Rechnersysteme sowie vereinfachte Datenverarbeitung und -speicherung. Digitale Wandler werden zunehmend in modernen Mess- und Steuersystemen eingesetzt, da digitale Technologien weit verbreitet sind.

5. Wandler und inverse Wandler

Wandler

Ein Wandler wird definiert als ein Gerät, das nicht-elektrische Größen in elektrische Größen umwandelt. Dieser Umwandlungsprozess ermöglicht die Messung, Überwachung und Steuerung verschiedener physikalischer Phänomene, wie Temperatur, Druck, Verschiebung und Kraft, mithilfe elektrischer Mess- und Verarbeitungstechniken. Wandler spielen in einer Vielzahl von Anwendungen, von Industrieautomatisierung bis hin zu wissenschaftlicher Forschung und Verbraucherelektronik, eine entscheidende Rolle.

Inverse Wandler

Inverse Wandler erfüllen die gegenteilige Funktion traditioneller Wandler. Sie wandeln elektrische Größen zurück in physikalische Größen. Diese Wandler haben in der Regel eine hohe elektrische Eingabe und eine entsprechend geringe nicht-elektrische Ausgabe. Inverse Wandler werden in Anwendungen eingesetzt, in denen elektrische Signale in physische Aktionen oder Reaktionen übersetzt werden müssen, wie in bestimmten Arten von Aktuatoren und Steuersystemen. Das Konzept der inversen Wandler bietet eine Möglichkeit, den Kreis zwischen elektrischer Steuerung und physischer Operation zu schließen, was eine komplexere und präzisere Steuerung mechanischer und physikalischer Systeme ermöglicht.