DC and AC Closed Loop Current Sensor using CSNB131 Honeywell

การตรวจจับกระแสไฟฟ้าสำหรับในบทความนี้ จะเป็นการใช้เซนเซอร์กระแส CSN Series ของ Honeywell หรือเรียกว่า Closed Loop Current Sensor สามารถตรวจจับได้ทั้งกระแสตรง (DC Current Sensor) และกระแสสลับ (AC Current Sensor) ซึ่งส่วนใหญ่จะเห็นใช้ในวงจรที่จ่ายกำลังไฟฟ้าที่กระแสสูง เช่นแหล่งจ่ายสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย (Switching power supply) วงจรอินเวอร์เตอร์ (Inverter) และวงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ (DC to DC Converter) เป็นต้น ในบทความนี้จะทดลองการใช้งานอุปกรณ์เซนเซอร์กระแสเบื้องต้นกันกับรุ่น CSNB131 ครับ.

ในรูปที่ 1 จะเป็นลักษณะทั่วไปของตัวเซนเซอร์กระแส CSNB131 จะเป็นลักษณะเหมือนกับหม้อแปลงตรวจจับกระแส (Current Transformer : CT) แต่บริษัท Honeywell จะเรียกว่า Solid State Sensors และ Closed Loop Current Sensor สำหรับในบทความนี้ขอใช้คำว่า Closed Loop Current Sensor และเซนเซอร์กระแส ในการนำเสนอเนื้อหาเพื่อเรียกตามบริษัทเจ้าของเซนเซอร์ตัวนี้ครับ

สำหรับรูปที่ 2, 3 และ 4 จะเป็นลักษณะของอุปกรณ์ภายในตัวเซนเซอร์กระแส CSNB131 ทั้งนี้หลักการทำงานของตัวเซนเซอร์จะแตกต่างไป โดยหลักแล้วจะเป็น Magnetoresistive or Hall effects, and the null balance or zero magnetic flux method [Ref.1] ซึ่งจะมีหลายรุ่นและหลายขนาดในการตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่เราต้องการ

รูปที่ 5 แสดงทิศทางการกำหนดให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน โดยในกรณีที่เรานำไปใช้กับไฟฟ้ากระแสตรง จะเป็นผลให้แรงดันทางด้านเอาต์พุตที่จ่ายออกมานั้นมีศักย์เป็นแรงดันบวกเมื่อเที่ยบกับกราวด์

รูปที่ 7 เป็นการต่ออุปกรณ์สำหรับทดลองซนเซอร์กระแส CSNB131 โดยในการทดลองนี้จะใช้ตัวต้านทาน Rm เท่ากับ 100 โอห์ม ซึ่งจะต่ออนุกรมที่เอาต์พุตลงกราวด์ (GND) ในส่วนของขารับไฟเลี้ยงจะมี 2 ส่วนคือไฟเลี้ยง +15V และ -15V และในรูปจะมีตัวเก็บประจุ 0.1uF/50V สำหรับดีคัปปลิ้งให้กับไฟเลี้ยงทั้ง 2 เล็กน้อย (การต่อวงจรตามอ้างอิงที่ [Ref.2])

รูปที่ 8 ลักษณะการจ่ายไฟเลี้ยงให้กับตัวเซนเซอร์ โดยตำแหน่งกราวด์จะต่อร่วมกันที่ขาของตัวต้านทานสำหรับการทดลองเบื้องต้น

รูปที่ 9 จะเป็นลักษณะการทดลองเซนเซอร์ด้วยไฟฟ้ากระแสตรงและมัลติมิเตอร์สำหรับวัดค่าแรงดันเอาต์พุตที่เกิดขึ้น

รูปที่ 11 แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงกระแสตรงขนาด 5A ที่แรงดันเอาต์พุต 13.8V สำหรับทดลองวัดสัญญาณกระแสตรงที่เกิดขึ้น

รูปที่ 12 กำหนดให้ทิศทางสำหรับการจ่ายไฟเลี้ยงไหลผ่านตัวเซนเซอร์ตามลูกศรในรูปที่ 5 และสังเกตผลการทดลอง

รูปที่ 13 เมื่อเราให้กระแสไหลผ่านเซนเซอร์ที่กระแส 5A ผลที่ได้จากการทดลองครั้งที่ 1 แสดงที่มัลติมิเตอร์ โดยจะมีค่าประมาณ 250mV ที่เกิดขึ้นจากกำหนดตัวต้านทาน Rm = 100 โอห์ม โดยสเปกของตัวเซนเซอร์จะระบุว่า ถ้ากระแสไหลผ่านที่ 50A จะทำให้เกิดกระแสที่เอาต์พุต 25mA (25mA for 50A) นั้นหมายความว่าที่กระแสไหลผ่าน 5A กระแสที่เอาต์พุตจะเท่ากับ 2.5mA (ลอลง 10 เท่า) จากนั้นค่ากระแสที่ 2.5mA จะคูณด้วยค่า Rm จะได้ 2.5mAX100 = 250mV นั้นเอง

รูปที่ 14 และ 15 เป็นการทดลองกลับทิศทางสำหรับการจ่ายไฟเลี้ยงให้ไหลผ่านตัวเซนเซอร์และสังเกตค่าแรงดันเอาต์พุตที่เกิดขึ้น

รูปที่ 16 ในปริมาณการไหลของกระแสเท่ากันที่ 5A นั้นค่าแรงดันที่เอาต์พุตจะใกล้เคียงกัน แต่ค่าแรงดันที่จ่ายออกมาจะมีศักดิ์เป็นลบเมื่อเทียบกราวด์ ทำให้เราทราบทิศทางการไหลของกระแสเพิ่มขึ้น

สำหรับรูปที่ 17 และ 18 เป็นการทดลองกับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับอีกครั้ง เพื่อสังเกตลักษณะของสัญญาณเอาต์พุตที่เกิดขึ้น โดยในการทดลองแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงจะมีค่าแรงดันประมาณ 24Vac และต่อกับตัวต้านทานโหลดประมาณ 5 โอห์ม ค่าประแสที่ไหลผ่านเซนเซอร์ประมาณ 4.40A ดังรูปที่ 18

รูปที่ 19 ค่าแรงดันของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงกระแสสลับตกลงเล็กน้อย จากเดิมประมาณ 24Vac มาที่ 22.24Vac ในการทดลองที่กระแส ไหลผ่าน 4.40A

รูปที่ 20 สัญญาณเอาต์พุตที่เกิดขึ้นจากตัวเซนเซอร์กระแส จะเป็นลักษระของสัญญาณไซน์เวฟเหมือนกับแหล่งจ่าย โดยจากสัญญาณที่ได้เมื่อเรานำมาคำนวณแล้วจะได้ค่าใกล้เคียงที่วัดได้คือ Vrms=Vp/sqrt(2) เมื่อ Vp=616mV/2 = 308mV, Vrms= 308mV/1.414 = 217.82mV ซึ่งเมื่อเทียบกับการอ่านค่าที่ได้จากการวัดในรูปกระแสตรง

รูปที่ 22 เป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับในการทดลอง จะสังเกตว่าจะต่างจากการทดลองในรูปที่ 13

รูปที่ 24 แสดงการใช้อุปกรณ์และเครื่องมือในการทดลองเซนเซอร์กระแส CSNB131 ซึ่งจะเป็นในแบบเบื้องต้น

สำหรับบทความเกี่ยวกับตัวเซนเซอร์กระแสไฟฟ้าด้วย CSNB131 นี้ คงจะเป็นประโยชน์สำหรับผู้อ่านนะครับ ซึ่งตัวเซนเซอร์นี้มีจุดเด่นที่สามารถตรวจจับกระแสไฟฟ้าได้ทั้งกระแสตรงและกระแสสลับรวมถึงใช้อุปกรณ์ต่อร่วมไม่มาก ทั้งนี้ในบทความจะทดลองการใช้งานตัวเซนเซอร์แบบเบื้องต้นอีกส่วนหนึ่ง เพื่อเป็นแนวทางให้กับท่านที่จะสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้ง่ายขึ้นและเห็นรูปแบบของการทดลองและผลที่ได้จากการทดลองรวมทั้งการคำนวณแบบง่ายครับ สำหรับรายละเอี้ยดของตัวเซนเซอร์เพิ่มเติมนั้น ผู้อ่านสามารถเข้าไปดูได้ตามลิ้งข้อมูลอ้างอิงข้างล่างนี้ครับ.

Reference

1. https://sps.honeywell.com/us/en/products/sensing-and-iot/sensors/current-sensors/closed-loop-sensors/csnb-series
2. https://datasheetspdf.com/pdf-file/538446/SoildStateSensors/CSNB131/1
3. https://prod-edam.honeywell.com/content/dam/honeywell-edam/sps/siot/en-us/products/sensors/current-sensors/common/documents/sps-siot-current-sensors-line-guide-005895-1-en-ciid-54884.pdf?download=false
4. https://sps.honeywell.com/us/en/support/sensing-and-iot/distributor-inventory?parts=CSNB
5. http://www.namingz.com/Upload/Products/516641611.pdf