เซนเซอร์วัดกระแสไฟฟ้าแบบทั่วไปและแบบฮอลล์(Hall Sensor)

      หลักการทำงาน

             hall effect current sensor สามารถวัดค่ากระแสโดยการวัดคล้องสายของกระแสที่ไหล และให้เอาท์พุตออกมาเป็นแรงดัน  hall มีมากมายหลายรุ่น รุ่นที่ ให้แรงดัน Output = รูปแบบสัญญาณจริง ก็มีให้เลือก แต่hall ส่วนใหญ่จะใช้เป็น Instrument สำหรับความแม่นยำสูง สามารถวัดสัญญาณที่มี DC และ Hamonics ปะปนมากได้ หรือกระแสมีความซับซัอนของสัญญาณปะปนสูง เหมาะสำหรับการต้องวัดเพื่อวิเคราะห์หาHarmonicsต่างๆ การเลือกใช้ต้องระวังเบนวิดท์ (ความถี่ใช้งาน)ด้วย

      ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง 

         ปรากฏการณ์ฮอลล์ (Hall Effect) หรือฮอลล์เอฟเฟค เป็นปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าที่ค้นพบโดย เอ็ดวิน ฮอลล์ (Edwin Hall) ในปี พ.ศ. 2422 สิ่งที่เค้าค้นพบมีหลักการโดยสรุปดังนี้

          แผ่นตัวนำที่มีกระแสไหลผ่านเมื่อมีฟลักซ์แม่เหล็ก (Magnetic Flux) มากระทำในทิศทางตั้งฉากกับแผ่นตัวนำ จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าหรือแรงดันเรียกว่าแรงดันฮอลล์ (Hall Voltage) ขึ้นที่ตัวนำในทิศทางตั้งฉากกับกระแสและฟลักซ์แม่เหล็ก เมื่อจ่ายกระแสคงที่ให้แผ่นตัวนำจะทำให้กระแสไหลผ่านแผ่นตัวนำอย่างคงที่ โดยอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วลบไปขั้วบวก

            เมื่อมีฟลักซ์แม่เหล็กมากระทำกับแผ่นตัวนำในทิศทางตั้งฉากจะทำให้ประจุพาหะ (Charge Carrier) ขงตัวนำเบี่ยงเบนไปด้านบนของตัวนำ จากรูป ประจุพาหะเป็นอิเล็กตรอนมีประจุเป็นประจุลบทำให้ด้านบนของแผ่นตัวนำมีขั้วไฟฟ้าเป็นลบ ส่วนด้านล่างของแผ่นตัวนำจะมีขั้วตรงข้ามกับด้านบนนั่นคือมีประจุบวก เมื่อวัดความต่างศักย์ระหว่างด้านบนกับด้านล่างทำให้ได้แรงดันไฟฟ้าออกมาเป็นแรงดันลบ โดยขนาดของแรงดันที่วัดได้จะขึ้นอยุ่กับความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กที่มากระทำ หากความเข้มสนามแม่เหล็กมากก็จะทำให้เกิดแรงดันมาก และถ้าความเข้มสนามแม่เหล็กน้อย แรงดันก็จะน้อยตามไปด้วย

             ส่วนกรณีที่มีการกลับขั้วแม่เหล็กจะทำให้แรงดันเอาท์พุตกลับขั้วกับกรณีที่กล่าวมา ตัวนำที่มีประจุพาหะเป็นอิเล็กตรอนได้แก่ ตัวนำไฟฟ้าทั่วไป สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (N-Type) ส่วนตัวนำที่มีประจุพาหะเป็นประจุบวกได้แก่ สารกึ่งตัวนำชนิดพี (P-Type) ปัจจุบันฮอลล์เอฟเฟคจะอยู่ในรูปของวงจรรวมหรือ IC (Integrated Circuit) ที่ทำมาจากสารกึ่งตัวนำ เนื่องจากสารกึ่งตัวนำจะให้แรงดันเอาท์พุตสูงกว่าตัวนำไฟฟ้าทั่วไป

            แอมมิเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดกระแสไฟฟ้าซึ่งดัดแปลงจากการนำความต้านทาน(ชันต์) ที่มีค่าน้อยๆมาต่อ
ขนานแกลวานอมิเตอร์  เพื่อแบ่งกระแสไม่ให้ไหลผ่านแกลแวนอมิเตอร์มากเกินไปจนทำให้แกลวานอมิเตอร์พังได้
      เมื่อเราต้องการวัดกระแสที่มีค่ามากๆ
     1.  นำชันต์ต่อขนานกับแกลวานอมิเตอร์
     2.  ชันต์ต้องมีค่าน้อยๆ เพื่อให้กระแสแยกไหลผ่านชันต์มากๆเพื่อช่วยลดกระแสที่จะไหลผ่านแกลวานอมิเตอร์

    
     ประเภท

     การวัดกระแสไฟฟ้าทั่วไปโดยใช้แอมป์มิเตอร์
        แอมป์มิเตอร์จะใช้อักษรย่อ Iเป็นสัญลักษณ์ของแอมมิเตอร์คือ แอมมิเตอร์ที่ดีต้องมีความต้านทานน้อยเพื่อให้กระแสไฟฟ้าในวงจรไหลผ่านตัวแอมมิเตอร์ให้มากที่สุด การใช้แอมมิเตอร์วัดปริมาณกระแสไฟฟ้ามีลักษณะเช่นเดียวกับการใช้มาตราวัดปริมาณน้ำที่ไหลผ่านท่อประปาคือต้องต่อแอมมิเตอร์แทรกในวงจรที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่า เรียงล่าดับในวงจรไฟฟ้าเป็นการต่อแบบอนุกรมเพื่อให้กระแสไฟฟ้าที่อ่านได้จากแอมมิเตอร์เป็นค่าเดียวกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจรนั้น

         คุณสมบัติของแอมมิเตอร์ที่ดี
     1.  มีความแม่นยำสูงซึ่งเกิดจากการนำชันต์ที่มีความต้านทานน้อยๆมาต่อเพื่อว่าเมื่อนำแอมมิเตอร์ไปต่อ
อนุกรมในวงจรแล้ว จะไม่ทำให้ความต้านทานรวมของวงจรเปลี่ยนแปลง  ทำให้กระแสที่วัดได้มีความแม่นยำสูงหรือมีความผิดพลาดจากการวัดน้อย
     2.  มีความไว(Sensitivity)  สูงเมื่อชันต์มีค่าน้อยๆกระแสที่ไหลผ่านชันต์จะมีค่ามากทำให้กระแสที่ไหลผ่านแกลวานอมิเตอร์มีค่าน้อยนั่นคือแอมมิเตอร์ที่ดีจะสามารถตรวจวัดค่ากระแสน้อยได้กล่าวคือแม้
วงจรจะมีกระแสไหลเพียงเล็กน้อย  แอมมิเตอร์ก็สามารถวัดค่าได้

      

รูปภาพแสดงแอมมิเตอร์

           การนำไปใช้วัด ใช้แอมมิเตอร์ไปต่ออนุกรมในวงจรในสายที่ต้องการทราบค่ากระแสที่ไหลผ่าน  เหมือนกับการวัดกระแสน้ำก็ต้องนำเครื่องมือวัดไปจุ่มลงน้ำด้วย

รูปแสดงการใช้งานแอมมิเตอร์

           แคลมป์มิเตอร์ (Clamp Meter) เป็นเครื่องมือวัดทางไฟฟ้าอีกชนิดหนึ่งที่ใช้สำหรับเปลี่ยนปริมาณทางไฟฟ้า ให้อยู่ในรูปที่เราสัมผัสได้ เช่น ตัวเลขแสดงผล หรือให้อยู่ในรูปของเข็มชี้ค่าแสดงผล โดยจะสามารถตรวจวัดค่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจรได้อย่างรวดเร็ว และแม่นยำโดยไม่ต้องดับไฟ หรือหยุดการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าในขณะที่ทำการวัด (รูปที่1) จึงกล่าวได้ว่าแคล้มป์มิเตอร์เป็นเครื่องมือวัดอีกชนิดหนึ่งที่มีความจำเป็น มากในงานด้านไฟฟ้าต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นระบบปรับอากาศ เครื่องทำความเย็น หรืองานซ่อมบำรุง ระบบไฟฟ้าภายในรถยนต์ เป็นต้น

รูปแสดงแคลมป์มิเตอร์

 ซึ่งถ้าหากเราสามารถใช้งานแคล้มป์มิเตอร์ได้อย่างถูกวิธี และมีความชำนาญอยู่แล้ว จะสามารถช่วยให้ท่านทำงานได้อย่างรวดเร็ว และมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น และในขณะเดียวกันก็ยังจะสามารถช่วยลดอุบัติเหตุต่าง ๆ ที่จะเกิดขึ้นจากระบบไฟฟ้าได้อีกด้วย (รูปประกอบในบทความนี้เป็นผลิตภัณฑ์ของ Kyoritsu)

                                                             รูปแสดงการทำงานของแคลมป์มิเตอร์

ประโยชน์ของแคลมป์มิเตอร์

แคลมป์มิเตอร์โดยทั่วไปแล้ว จะถูกนำมาใช้งานในการวัดกระแสไฟฟ้าในระบบไฟฟ้าต่างๆ โดยการนำแคล้มป์มิเตอร์ไฟคล้องกับสายไฟที่ต้องการวัด ก็จะทำให้สามารถทราบค่ากระแสไฟฟ้าได้จากจอแสดงผลบน แคล้มป์มิเตอร์

ในปัจจุบันแคลมป์มิเตอร์ได้มีการพัฒนาให้มีขีดความสามารถในการวัดได้ ทั้ง ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) และไฟฟ้ากระแสตรง (DC) นอกจากนั้นแคล้มป์มิเตอร์ที่มีการใช้ในปัจจุบันนี้ยังมีความสามารถในการวัด กำลังไฟฟ้า (Power) ต่อเข้ากับเครื่องบันทึกกราฟ (Recorder) หรือเครื่องออสซิลโลสโคป (Oscilloscope) เพื่อใช้ในการตรวจสอบ และวิเคราะห์รูปคลื่นไฟฟ้าได้อีกด้วย

การวัดกระแสไฟฟ้าโดยHall Sensor 

               การใช้งานฮอลล์เซนเซอร์เป็นการใช้วัดค่าความเข้มของฟลักซ์แม่เหล็ก เมื่อความเข้มของฟลักซ์แม่เหล็กเปลี่ยนแปลงตามระยะทาง ดังนั้นเราจึงสามารถนำฮอลล์เซนเซอร์มาใช้เป็นเซนเซอร์วัดการกระจัดได้เช่นกัน

                นอกจากใช้วัดสนามแม่เหล็กทั่วไปแล้ว ฮอลล์เซนเซอร์ยังถูกนำมาประยุกต์ใช้งานในการวัดกระแสไฟฟ้าโดยวิธีฮอลล์เอฟเฟคอีกด้วย โดยปกติแล้วการใช้แอมป์มิเตอร์วัดกระแสในวงจรต้องวัดแบบอนุกรมเราอาจต้องตัดวงจรเพื่ออนุกรมมิเตอร์เข้าไปแต่ฮอลล์เอฟเฟคจะทำให้การวัดง่ายขึ้น

                เมื่อเราผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในขดลวด จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้นรอบๆขดลวดเรียกว่า แม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งถ้าเราสามารถวัดสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นนี้ได้ เราก็สามารถคำนวณเป็นค่ากระแสออกมาได้เช่นกัน

               ปัจจุบันได้มีการผลิตเซนเซอร์กระแสไฟฟ้าแบบฮอลล์เอฟเฟคในรูปของไอซีหลายเบอร์ด้วยกัน มีตั้งแต่กระแสต่ำๆ ไปจนถึงกระแสเป็นร้อยแอมป์เลยทีเดียว

รูปเซนเซอร์กระแส เบอร์ LA55-P

  จากรูปเซนเซอร์กระแส เบอร์ LA55-P ของ LEM สามารถวัดกระแสได้สูงสุด 50A วัดได้ทั้งกระแสตรงและกระแสสลับ ให้เอาท์พุตออกมาเป็นกระแสในอัตราส่วน 1:1,000 หมายความว่า ถ้าวัดกระแส 50A เซนเซอร์ตัวนี้จะให้กระแสเอาท์พุต 50 mA

                สำหรับการใช้งานก็เพียงป้อนไฟเลี้ยง ±15V ให้กับเซนเซอร์ แล้วให้เส้นลวดที่เราต้องการวัดกระแสสอดเข้าที่รูตรงกลางเซนเซอร์เท่านั้นเอง จึงไม่ส่งผลกระทบต่อวงจรที่เราจะทำการวัดแต่อย่างใด

        ผลิตภัณฑ์ที่มีขายในท้องตลาด

                                                          รูปภาพแสดงHall Sensor CS25-NPAและCS50-P

 เครื่องตรวจจับกระแสไฟฟ้าเสมือนจริง โดย CS25_NPA  ราคา970บาท
 การออกแบบเครื่องมือวัดกระแสไฟฟ้าแบบให้รูปคลื่นไฟฟ้าเสมือนจริงโดยมีวงจรแยกจากวงจรที่ต้องการวัด
 สามารถทำได้โดยใช้ Hall Sensor CS25-NPAและCS50-Pซึ่งเป็นSensor ที่ใช้ได้ง่าย เพียงออก แบบแหล่งจ่ายไฟเพื่อเลี้ยงวงจรและต่อตัวต้านทานวัดกระแสตัวเดียวก็สามารถวัดกระแสได้แล้ว เหมาะกับห้องวิจัยและสถานศึกษาที่ต้องการทำเครื่องมือไว้ใช้เอง    CS25-5 NPAสามารถวัดกระแสได้ตั้งแต่ไฟกระแสตรงไปจนถึงไฟกระแสสลับ+/-25A ความถี่สูงถึง 100 kHz ค่า Peak ได้ถึง 250 แอมแปร์

                   วิดีโอแสดงการทำงานHall Sensor จาก http://www.youtube.com/watch?v=ujc6pjftZ_w