ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับ Current Sensor (เซ็นเซอร์วัดกระเเส)

บทความนี้จะอธิบายเกี่ยวกับความรู้เบื้องต้นของ Current Sensors (เซ็นเซอร์วัดกระเเส) ว่าคืออะไร? แบ่งออกเป็นกี่ประเภท? และแต่ละประเภทมีหลักการการทำงานเป็นอย่างไร? รวมถึงมีตารางสรุป Specification ของ Current Sensors (เซ็นเซอร์วัดกระเเส) แต่ละประเภท แต่ละรุ่นให้ทราบกันด้วย (โดยจะยึดตามรุ่นที่ทาง ThaiEasyElec.com จำหน่าย สามารถดูรายละเอียดสินค้าอย่างละเอียดได้จาก หมวด Current Sensors (เซ็นเซอร์วัดกระเเส))

Current Sensors (เซ็นเซอร์วัดกระเเส) คืออะไร? และมีหลักการทำงานอย่างไร?

สมมติว่าเรามีวงจรหนึ่งที่ประกอบด้วย แหล่งจ่ายไฟ และโหลด (R_Load) กระแส (I) จะไหลจากขั้วบวกของแหล่งจ่าย ผ่านโหลดและไปยังขั้วลบของแหล่งจ่าย ถ้าต้องการทราบกระแส (I) ที่ไหลผ่านโหลด (R_Load) วิธีที่ง่ายที่สุดคือใช้สูตร I=V/R คือต้องทราบแรงดันแหล่งจ่าย (V) ค่าความต้านทานโหลด (R) ก็จะทราบกระแส (I) ที่ไหลผ่านโหลด (R_Load) หรือใช้ Multimeter ต่ออนุกรมกับโหลด (R_Load) ซึ่งสามารถวัด ก่อนเข้าโหลด (Meter1) หรือหลังโหลด (Meter2) ดังภาพ Meter ทั้งสองจะอ่านกระแสได้เท่ากัน

จากกฏ KCL (Kirchoff current law) ผลรวมของกระแสไฟฟ้าไหลเข้า = ผลรวมของกระแสไฟฟ้าไหลออก

ข้อแตกต่างระหว่างกระแสตรง (DC) และกระแสสลับ (AC)

จากกราฟ จะเห็นได้ว่าเมื่อเวลาผ่านไป ในไฟฟ้ากระแสตรง (DC) กระแสจะไหลในทิศทางเดียว ตัวอย่างแหล่งจ่าย DC ที่เห็นได้ชัดคือ แบตเตอรี่ชนิดต่างๆ หรือเเผงโซล่าเซลล์ เมื่อเทียบกับไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) กระแสจะมีการเปลี่ยนแปลงทิศของกระแสอยู่ตลอดเวลา เช่น A.C Generator, สายส่ง เป็นต้น

รูปแบบการวัดกระแส

1. Current Sensing Resistors

ภาพแสดงวงจรเบื้องต้น การวัดกระแสโดยใช้ R Shunt

การวัดกระแสโดยใช้ R Shunt โดยอาศัยหลักการคือ วัดแรงดันที่ตกครอม R ค่าน้อยๆ ซึ่งต่ออนุกรมกับ R_Load เรียกว่า R_shuntและ คำนวณกลับเป็นกระแส โดยจากสูตร

I = V_shunt/ R_shuntและสามารถวัดได้ทั้งไฟ DC และ AC

2. Hall Effect Sensor

ภาพแสดงวงจรเบื้องต้น การวัดกระแสโดยใช้ ภาพแสดงเซ็นเซอร์ Hall effect ภายในชิปตระกูล ACS

Hall effect sensor

Hall effect sensor เป็นการวัดกระแสทางอ้อม เมื่อเราจ่ายกระแสไฟฟ้าทั้ง DC และ AC จะทำให้เกิดเส้นสนามแม่เหล็กรอบสาย

ไฟ เมื่อเซ็นเซอร์ Hall effect อยู่ในบริเวณเส้นสนามแม่เหล็กของสายไฟ จะส่งสัญญาญออกมา ตามระดับสนามแม่เหล็กที่วัดได้

3. Current Transformer

ภาพแสดงหลักการวัดกระแสโดยใช้ Current transformer ภาพสัญลักษณ์ของ Current Transformer

Current Transformer เป็นการวัดกระแสไฟฟ้าทางอ้อมเช่นกัน โดยใช้หลักการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กเหมือนกับหม้อแปลงไฟฟ้า แต่เปลี่ยนให้ฝั่ง Primary เป็นสายไฟที่ต้องการวัดกระแสแทน และมีเพียงขดลวดฝั่ง Secondary เรียกว่า Current Transformer เมื่อเราจ่ายกระแสไฟฟ้าสลับไหลผ่านสายไฟ จะทำให้เกิดเส้นสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงไปมา และไปตัดกับขดลวดที่พันรอบแกน Inductive Sensor ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นเมื่อต่อกับโหลด ซึ่งจะวัดได้เฉพาะกระเเสไฟฟ้า AC เท่านั้น กรณีที่จ่ายกระเเสไฟฟ้า DC เข้าไปในสายไฟ จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะไม่เกิดการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก หลักการนี้สามารถนำไปใช้กับ Clampmeter

ภาพแสดง Current Transformer แบบต่างๆ Clamp Meter

ในกรณีที่เราวัดกระแสไฟฟ้าที่ฝั่ง Secondary ได้ต่ำมาก เป็นเพราะโหลดกินกระแสน้อยมากเมื่อเทียบกับย่านที่ Current Transformer วัดได้ เช่น นำ Current Transformer ที่เหมาะสำหรับวัดในย่านกระเเส 100A ไปใช้วัดกระแสที่หลอดไฟใช้ ซึ่งมีปริมาณน้อยมาก เมื่อเทียบกับย่านที่เซ็นเซอร์วัดได้ ผู้ใช้ต้องเพิ่มสัญญาณให้มากกว่านี้ วิธีแก้ไขหนึ่งคือการ เพิ่มรอบขดลวดในฝั่ง Primary เพื่อลดอัตรา Turn Ratio ลง จากสูตร

โดย N_p = รอบขดลวดในฝั่ง Primary
N_s= รอบขดลวดในฝั่ง Secondary
I_p= กระแสผ่านขดลวดฝั่ง Primary
I_s= กระแสผ่านขดลวดฝั่ง Secondary

ตัวอย่างการใช้งาน Current Transformer

ยกตัวอย่างการใช้งาน Current transformer รุ่น SCT-013-000 ใน Datasheet ตาราง Technical Parameters จะเห็นได้ว่า วัดกระแสอินพุต (ฝั่ง Primary) ได้ตั้งแต่ 0-100A ถ้าต้องการปรับย่านการวัดลงมาที่ 50A ต้องพันสายไฟ 2 รอบ หรือถ้าต้องการลดย่านการวัดลงไปอีก จะต้องพันรอบพันสายไฟมากขึ้น ดังภาพ