Spannungssensoren: Genauigkeit, Zuverlässigkeit & umweltfreundliche Lösungen

Der kontinuierliche technologische Fortschritt in der Signalübertragung – ob elektrisch oder optisch – erfordert bessere Sensoreinrichtungen. Spannungssensoren fallen in diese Kategorie.

Es handelt sich um kleine, leichte, hochpräzise und umweltfreundliche Geräte, die bei der Überwachung elektrischer Schaltungen wertvolle Dienste leisten. Geeignete Spannungssensoren sollten empfindlich auf den Messparameter reagieren, unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen sein und den Messparameter nicht verfälschen.

In diesem Artikel beleuchten wir Spannungssensoren, ihre Funktionsweise, Typen und Anwendungen.

Was ist ein Spannungssensor?

Ein Spannungssensor ist ein drahtloses Sensorelement zur Erkennung, Messung und Kommunikation der Spannung in Geräten. Er kann auch den Pegel optischer Signale in Schaltungen erfassen (optischer Spannungssensor) und entsprechend reagieren.

Eingangssignale sind Spannungen; das Ausgangssignal variiert je nach Design: analoge Spannungssignale, Schaltausgänge, Stromsignale oder akustische Signale.

Wartungsteams nutzen sie zur Erkennung von DC- und AC-Spannungen in Schaltungen sowie zur kontinuierlichen Überwachung auf Spannungsänderungen, die auf Fehler hinweisen.

Die Einführung von Spannungssensortechnik hat herkömmliche Spannungsmessmethoden verbessert.

Typen von Spannungssensoren

AC-Spannungssensoren

Einsatz in elektrischen Installationen und Automatisierung in Energie- und Telekommunikationssystemen. Einteilung in Drei-Phasen- und Einphasen-Spannungssensoren/-Wandler.

Typische Anwendungen: Lastüberwachung, Leistungsverlust-Erkennung, Leistungsbedarfssteuerung, Sicherheitsschaltung, Motorschutz vor Überlast.

DC-Spannungssensoren

Erkennen und überwachen Gleichspannungen in elektrischen Systemen.

Anwendungen: Instrumentierung, Automatisierungssysteme, Fehlererkennung, Temperaturregelung, Leistungsisolation und -steuerung, Fernüberwachung von Gleichstrom, Energiemanagement in Leitsystemen.

Spezialisierte Sensoren

Dienen spezifischen Zwecken oder Nischenanwendungen in elektrischen Systemen. Unterstützen anwendungsspezifische Regelsysteme und können Teil eines Rückführungsregelkreises in elektromechanischen Systemen sein.

Beispiele: spezialisierte kapazitive Sensoren, Luftqualitätssensoren, Kfz-Sensoren, spezialisierte Drucksensoren.

Widerstandsbasierte Sensoren (Resistive Type)

Bestehen aus Brücken- und Spannungsteilerschaltungen.

Eine Brückenschaltung ist effektiver als ein serieller Widerstandsspannungsteiler, da sie nur die Widerstandsänderung des Sensors verstärkt.

Die Ausgangsspannung berechnet sich nach:

Wobei:

• A = Verstärkung des Instrumentenverstärkers
• δ = Änderung des Sensorwiderstands

Die Verstärkung sollte hoch gewählt werden, da eine durch Widerstandsänderung verursachte Spannungsänderung verstärkt wird.

Kapazitive Sensoren (Capacitor Type Sensor)

Im Gegensatz zum Widerstandssensor nutzt der kapazitive Sensor zwei Kondensatoren für kapazitive Kopplung. Zum Verständnis betrachten wir die Funktionsweise eines Kondensators:

Ein Kondensator besteht aus zwei leitenden Platten mit einem nicht-leitenden Dielektrikum dazwischen. Wird eine Wechselspannung angelegt, fließt ein Wechselstrom durch das Dielektrikum – bedingt durch abwechselnde Abstoßung/Anziehung der Elektronen an den gegenüberliegenden Platten. Der Ladungsträgerfluss durch das Dielektrikum schließt den Stromkreis ohne hardwaremäßige Verbindung zwischen den Platten.

Betrachten wir die Spannungsteilung zwischen zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren:

Nach dem Ohmschen Gesetz baut sich die größte Spannung am Kondensator mit dem höchsten Impedanz in Reihenschaltung auf.

• Xc → Kapazitiver Blindwiderstand (Ω)
• f → Frequenz (Hertz)

Je kleiner der Kondensator, desto größer der kapazitive Impedanz.

Beim kapazitiven Sensor ist der kleinere Kondensator an der Sensorspitze. Diese Spitze (Hochimpedanzpunkt) wird in einen aktiven kapazitiven Reihenschaltkreis gebracht. Es baut sich eine große Spannung am Sensorkreis auf – ein Summer oder eine LED signalisiert die Erkennung.

Spannungssensor-Modul: Merkmale & Spezifikationen

Funktionsprinzip des Spannungssensors

Ein Spannungssensor-Modul überwacht Eingangsspannungen von 0 bis 25 V. Es nutzt einen resistiven Spannungsteiler, der die Eingangsspannung um den Faktor 5 reduziert.

Es erzeugt ein analoges Ausgangssignal proportional zum Eingangsignal geteilt durch den Teilungsfaktor. Die Schaltung ist kompakt und erkennt Unter- und Überspannungsfehler in elektrischen Systemen.

Der Spannungsteiler besteht aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen. Bei Anlegen einer Eingangsspannung erfolgt die Spannungsteilung zwischen den beiden Widerständen.

Die Ausgangsspannung am zweiten Widerstand:

Die Ausgangsspannung ist direkt proportional zur Eingangsspannung und dem Verhältnis der Serienwiderstände.

Vorteile von Spannungssensoren

Hohe Genauigkeit, kompakte Bauform, geringer Energieverbrauch, Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungsstörungen, berührungslose Messung möglich, lange Lebensdauer.

Anwendungen von Spannungssensoren

AC-Spannungssensoren

Leistungsbedarfssteuerung, Fehlererkennung, Motorschutz, Sicherheitsanwendungen, Lastüberwachung

DC-Spannungssensoren

Datenerfassung, Gebäudemanagementsysteme (BMS), Temperaturregelung, Energiemanagementsysteme (EMS), Fehlererkennung, Leistungsbedarfssteuerung

Fazit

Spannungssensoren sind entscheidende Komponenten elektrischer Schaltungen – unverzichtbar in Hochleistungsnetzen wie in kleinen PCBs unserer Haushaltselektronik.

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