High-side current-sensing by using PNP Transistor

ในบทความนี้เป็นการออกแบบวงจรตรวจจับกระแสไฟฟ้าแบบกระแสตรงอย่างง่าย ด้วยการใช้ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็ก (TO-92) ชนิด PNP เป็นหลัก ร่วมกับตัวต้านทานค่าต่ำๆ (R Shunt) และอื่นๆ อีกเล็กน้อย ซึ่งวงจรนี้สารมาถนำไปประยุกต์ใช้งานต่างๆได้หลากหลาย เช่น การป้องกันกระแสเกิน (Over Current Protection : OCP) และการควบคุมกระแสคงที่ (Constant current) ให้กับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงแบบลิเนียร์ทั่วไปรวมทั้งแบบสวิตชิ่งโหมด ด้วยราคาของอุปกรณ์ที่ใช้ไม่สูงมากนัก  

รูปที่ 1 เป็นตัวอย่างวงจรป้องกันกระแสเกินแบบให้หยุดการทำงาน (Over current cut-off) โดยอุปกรณ์หลักในการตรวจจับกระสจะใช้ทรานซิสเตอร์ Q3 และตัวต้านทาน R7 ในการตรวจจับกระแส รวมทั้งใช้ตัวต้านทาน C9 และ R9 เป็นวงจรฟิลเตอร์ การทำงานของวงจรคือ ในกรณีแรกเมื่อมีกระแสไหลผ่าน R7 น้อยกว่า 1.3A (เกิดแรงดันตกคร่อม R7 น้อยกว่า 0.6V) ก็จะทำให้วงจรจ่ายกระแสไปยังโหลด (RL1) ได้ปกติ เนื่องจาก RY1 จะอยู่ในสถานะ OFF และหน้าคอนแท็กจะอยู่ที่ตำแหน่ง NC ตลอดเวลา ในกรณีที่สองเมื่อกระแสไหลผ่าน R7 มากกว่า 1.3A (เกิดแรงดันตกคร่อม R7 มากกว่า 0.6V) จะทำให้ทรานซิสเตอร์ Q3 เกิดการนำกระแสระหว่างขา C และขา E เป็นผลให้แอลอีดี (LED2) ติดสว่างขึ้น โดยกระแสดังกล่าวจะไหลไปยังตัวต้านทาน R6 แล้วเกิดแรงดันตกคร่อมขึ้น ซึ่งจะเป็นสัญญาณทริกเกอร์ให้กับ SCR นำกระแสและ RY1 ทำงานแล้วเปลี่ยนหน้าคอนแท็กไปที่ตำแหน่ง NO เพื่อหยุดการจ่ายกระแสให้โหลดนั้นเอง

รูปที่ 3 จะเป็นลักษณะคล้ายกับรูปที่ 1 แต่จะส่งสัญญาณป้องกันกระแสเกินให้กับตัวควบคุมแบบอะนาลอก (Analog control) โดยในรูปที่ 3 จะยกตัวอย่างไอซีควบคุม UC3842 ซึ่งการส่งสัญญาณป้องกันกระแสเกินนี้ จะสามารถส่งไปยังขา 3 (ISENSE) หรือขา 2 (FB) ก็ได้เช่นกัน โดยเราอาจเพิ่มอุปกรณ์บางส่วนอีกเล็กน้อย ทั้งนี้เราสามารถนำไปใช้งานร่วมกับวงจร ดีซีทูดีซี คอนเวอร์เตอร์ หรือวงจรสวิตชิ่งโหมดเพาเวอร์ซัพพลายได้เช่นกัน

รูปที่ 5 เป็นการส่งสัญญาณป้องกันกระแสเกินให้กับตัวควบคุมแบบดิจิตอล (Digital control) โดยเฉพาะบอร์ดควบคุมไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยในรูปจะใช้ออปโต้คัปเปิ้ล (PC817) ในการแยกกันทางไฟฟ้าระหว่างแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงให้กับไมโครคอนโทรลเลอร์และแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงให้กับโหลด โดยในรูปจะส่งสัญญาณลอจิกต่ำ (LOW) เมื่อเกินกระแสเกินขึ้น และเราสามารถใช้วิธีการอ่านค่าลอจิกหรือการอินเตอร์รัพท์ที่ขารับอินพุต ในการควบคุมการทำงานต่างๆ ได้เช่นกัน

สำหรับวงจรตรวจจับกระแสไฟฟ้าแบบกระแสตรงนี้เป็นวงจรที่ออกแบบได้ไม่ยากนัก ด้วยอุปกรณ์เพียงไม่กี่ตัว รวมทั้งใช้การตัวจับกระแสที่ตำแหน่งก่อนจ่ายกระแสให้กับโหลด (High-side current-sensing) ซึ่งเป็นเทคนิคหนึ่งที่จะช่วยให้วัดค่าแรงดันเอาต์พุตได้แม่นยำเพิ่มขึ้น ทั้งนี้ตัวอย่างวงจรที่นำเสนอนี้คงพอจะเป็นแนวทางให้ผู้อ่านสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานในวงจรต่างๆ ได้ตามที่ต้องการ

Reference

1. https://www.ti.com/lit/an/slua066/slua066.pdf
2. https://electronics.stackexchange.com/questions/700286/high-side-current-sensing-using-pnp
3. https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/raqs/raq-issue-151.html
4. https://www.renesas.com/us/en/document/apn/current-sensing-low-voltage-precision-op-amps
5. https://www.deeptronic.com/electronic-circuit-design/high-side-current-sensing-using-transistor-for-current-limiting-control/
6. https://www.edn.com/high-voltage-current-sensing-with-low-voltage-transistors/
7. https://shadyelectronics.com/high-common-mode-voltage-current-sense-circuit/