เทคนิคการตรวจจับปัจจุบันโดยใช้เซ็นเซอร์กระแสต่างๆ

กระแสเป็นปัจจัยสำคัญอย่างยิ่งในวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์หรือไฟฟ้า ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กระแสสามารถมีแบนด์วิดท์ตั้งแต่นาโนแอมแปร์ไปจนถึงหลายร้อยแอมแปร์ ช่วงนี้สามารถกว้างขึ้นได้มากในโดเมนไฟฟ้าโดยทั่วไปถึงหลายพันแอมแปร์โดยเฉพาะใน Power Grids มีวิธีการที่แตกต่างกันกับความรู้สึกและตัวชี้วัดในปัจจุบันภายในวงจรหรือตัวนำในบทความนี้เราจะพูดถึงวิธีการวัดกระแสโดยใช้ เทคนิคการตรวจจับกระแสต่างๆพร้อมข้อดีข้อเสียและการใช้งาน

วิธีการตรวจจับปัจจุบันของ Hall Effect Sensor

Hall Effect ถูกค้นพบโดย Edwin Herbert Hall นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันและสามารถใช้เพื่อตรวจจับกระแสไฟฟ้าได้ โดยทั่วไปจะใช้เพื่อตรวจจับสนามแม่เหล็กและมีประโยชน์ในการใช้งานมากมายเช่นมาตรวัดความเร็วสัญญาณเตือนประตู DIY BLDC

เซ็นเซอร์ Hall Effect สร้างแรงดันไฟฟ้าขาออกขึ้นอยู่กับสนามแม่เหล็ก อัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าขาออกเป็นสัดส่วนกับสนามแม่เหล็ก ในระหว่างกระบวนการตรวจจับกระแสไฟฟ้าจะถูกวัดโดยการวัดสนามแม่เหล็ก แรงดันไฟฟ้าขาออกต่ำมากและจำเป็นต้องขยายให้มีค่าที่เป็นประโยชน์โดยใช้เครื่องขยายเสียงอัตราขยายสูงที่มีเสียงรบกวนต่ำมาก นอกเหนือจากวงจรแอมพลิฟายเออร์เซ็นเซอร์ Hall Effect ยังต้องการวงจรเพิ่มเติมเนื่องจากเป็นตัวแปลงสัญญาณเชิงเส้น

ข้อดี:

1. สามารถใช้ในความถี่ที่สูงขึ้น
2. สามารถใช้ได้ทั้ง AC และ DC อย่างถูกต้อง
3. วิธีการตามแบบไม่ติดต่อ
4. สามารถใช้งานได้ในสภาพแวดล้อมที่ขรุขระ
5. มีความน่าเชื่อถือ

จุดด้อย:

1. เซ็นเซอร์ลอยและต้องการการชดเชย
2. ต้องใช้วงจรเพิ่มเติมสำหรับเอาต์พุตที่มีประโยชน์
3. มีราคาแพงกว่าเทคนิคการปัด

เซ็นเซอร์ Hall Effect ใช้ในแคลมป์มิเตอร์รวมทั้งในงานตรวจจับกระแสไฟฟ้าในอุตสาหกรรมและยานยนต์ Linear Hall effect sensorหลายประเภทสามารถตรวจจับกระแสไฟฟ้าได้ตั้งแต่ mili-amps ไปจนถึงหลายพันแอมแปร์ ด้วยเหตุนี้แอปพลิเคชันการตรวจสอบกริดอัจฉริยะจึงใช้เซ็นเซอร์ Hall effect ประเภทอื่นเพื่อตรวจสอบกระแสของตัวนำ

วิธีการตรวจจับกระแสเซ็นเซอร์ Flux Gate

saturable เหนี่ยวนำเป็นองค์ประกอบหลักสำหรับเทคนิค fluxgate ตรวจจับเนื่องจากนี้เซ็นเซอร์ fluxgate เรียกว่าเป็นsaturable Inductor เซนเซอร์จับกระแสแกนตัวเหนี่ยวนำซึ่งใช้สำหรับเซ็นเซอร์ฟลักซ์เกตทำงานในบริเวณอิ่มตัว ระดับความอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำนี้มีความไวสูงและความหนาแน่นของฟลักซ์ภายในหรือภายนอกจะเปลี่ยนระดับความอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำ ความสามารถในการซึมผ่านของแกนเป็นสัดส่วนโดยตรงกับระดับความอิ่มตัวดังนั้นการเหนี่ยวนำจึงเปลี่ยนไปด้วย การเปลี่ยนแปลงของค่าตัวเหนี่ยวนำนี้วิเคราะห์โดยเซ็นเซอร์ฟลักซ์เกตเพื่อตรวจจับกระแสไฟฟ้า ถ้ากระแสสูงความเหนี่ยวนำจะต่ำลงถ้ากระแสต่ำความเหนี่ยวนำจะสูง

เซ็นเซอร์ Hall Effect ทำงานคล้ายกับเซ็นเซอร์ fluxgate แต่มีความแตกต่างอย่างหนึ่ง ความแตกต่างอยู่ในวัสดุหลัก เซ็นเซอร์มูกเลือดประตูใช้เหนี่ยวนำ saturable แต่ Hall Effect เซ็นเซอร์หลักใช้อากาศ

ในภาพด้านบนแสดงโครงสร้างพื้นฐานของเซ็นเซอร์ประตูฟลักซ์ มีขดลวดสองตัวหลักและรองพันรอบแกนตัวเหนี่ยวนำที่อิ่มตัว การเปลี่ยนแปลงของการไหลของกระแสสามารถเปลี่ยนความสามารถในการซึมผ่านของแกนซึ่งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความเหนี่ยวนำในขดลวดอื่น ๆ

ข้อดี:

1. สามารถวัดได้หลากหลายความถี่
2. มีความแม่นยำสูง
3. ชดเชยและดริฟท์ต่ำ

จุดด้อย:

1. การใช้พลังงานทุติยภูมิสูง
2. ปัจจัยเสี่ยงเพิ่มขึ้นสำหรับแรงดันไฟฟ้าหรือสัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้าในตัวนำหลัก
3. เหมาะสำหรับ DC หรือ AC ความถี่ต่ำเท่านั้น

เซ็นเซอร์ Fluxgate ใช้ใน Solar Inverters เพื่อตรวจจับกระแสไฟฟ้า นอกเหนือจากนี้การวัดกระแส AC และ DC แบบวงปิดสามารถทำได้อย่างง่ายดายโดยใช้เซ็นเซอร์ Flux Gate นอกจากนี้ยังสามารถใช้วิธีการตรวจจับกระแส Flux Gate ในการวัดกระแสไฟรั่วการตรวจจับกระแสเกินเป็นต้น

วิธีการตรวจจับกระแส Rogowski Coil

Rogowski coil ตั้งชื่อตาม Walter Rogowski นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ขดลวด Rogowski ทำโดยใช้ขดลวดแกนอากาศที่มีรูปร่างเป็นลานและพันรอบตัวนำเป้าหมายสำหรับการวัดกระแส

ในภาพด้านบนขดลวด Rogowski แสดงด้วยวงจรเพิ่มเติม วงจรเพิ่มเติมคือวงจรอินทิเกรเตอร์ ขดลวด Rogowski ให้แรงดันไฟฟ้าขาออกขึ้นอยู่กับอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสในตัวนำ จำเป็นต้องใช้วงจรอินทิเกรเตอร์เพิ่มเติมเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าขาออกซึ่งเป็นสัดส่วนกับกระแสไฟฟ้า

ข้อดี:

1. เป็นวิธีที่ดีในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของกระแสความถี่สูงอย่างรวดเร็ว
2. การทำงานที่ปลอดภัยในแง่ของการจัดการขดลวดทุติยภูมิ
3. โซลูชันต้นทุนต่ำ
4. ความยืดหยุ่นในการจัดการเนื่องจากโครงสร้างแบบวงเปิด
5. การชดเชยอุณหภูมิไม่ซับซ้อน

จุดด้อย:

1. เหมาะสำหรับ AC เท่านั้น
2. มีความไวต่ำกว่าหม้อแปลงกระแส

Rogowski coil มีการใช้งานที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่นการวัดกระแสในโมดูลพลังงานขนาดใหญ่โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน MOSFET หรือทรานซิสเตอร์กำลังสูงหรือข้าม IGBT ขดลวด Rogowski ให้ตัวเลือกการวัดที่ยืดหยุ่น เนื่องจากการตอบสนองของขดลวด Rogowski นั้นเร็วมากในช่วงเวลาชั่วคราวหรือคลื่นไซน์ความถี่สูงจึงเป็นทางเลือกที่ดีในการวัดกระแสความถี่สูงในสายไฟ ในการกระจายกำลังไฟฟ้าหรือในสมาร์ทกริดขดลวด Rogowski ให้ความยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยมสำหรับการวัดกระแส

วิธีการตรวจจับกระแสของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า

หม้อแปลงกระแสหรือ CT ใช้เพื่อตรวจจับกระแสไฟฟ้าด้วยแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิซึ่งเป็นสัดส่วนกับกระแสในขดลวดทุติยภูมิ เป็นหม้อแปลงไฟฟ้าอุตสาหกรรมที่แปลงแรงดันหรือกระแสขนาดใหญ่ให้เป็นค่าที่น้อยกว่ามากในขดลวดทุติยภูมิ การวัดจะถูกนำไปใช้ในเอาต์พุตทุติยภูมิ

ในภาพด้านบนแสดงการก่อสร้าง เป็นหม้อแปลง CT ในอุดมคติที่มีอัตราส่วนหลักและรองเป็น 1: N N ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของหม้อแปลง เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับหม้อแปลงไฟฟ้าที่นี่

ข้อดี:

1. ความสามารถในการจัดการกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่มากกว่าวิธีการอื่น ๆ ที่แสดงในบทความนี้
2. ไม่ต้องใช้วงจรเพิ่มเติม

จุดด้อย:

1. ต้องมีการบำรุงรักษา
2. Hysteresis เกิดขึ้นเนื่องจากการดึงดูด
3. กระแสไฟฟ้าปฐมภูมิสูงทำให้วัสดุแกนเฟอร์ไรต์อิ่มตัว

การใช้เทคนิคการตรวจจับกระแสตามหม้อแปลง CT เป็นหลักในตารางกำลังเนื่องจากมีความสามารถในการวัดกระแสสูง แคลมป์มิเตอร์ไม่กี่ตัวก็ใช้หม้อแปลงกระแสสำหรับการวัดกระแสสลับ

วิธีการตรวจจับกระแสตัวต้านทานแบบ Shunt

นี่เป็นวิธีที่ใช้มากที่สุดในเทคนิคการตรวจจับในปัจจุบัน เทคนิคนี้เป็นไปตามกฎของโอห์ม

ตัวต้านทานค่าต่ำในอนุกรมใช้เพื่อตรวจจับกระแส เมื่อกระแสไหลผ่านตัวต้านทานที่มีค่าต่ำจะทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าข้ามตัวต้านทาน

ลองมาเป็นตัวอย่าง

สมมติว่ากระแส 1A ไหลผ่านตัวต้านทาน 1 โอห์ม ตามกฎของโอห์มแรงดันไฟฟ้าจะเทียบเท่ากับการต้านทาน x ปัจจุบันดังนั้นเมื่อ 1A ของการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านตัวต้านทาน 1 โอห์มก็จะผลิต 1V คร่อมตัวต้านทานกำลังวัตต์ของตัวต้านทานเป็นปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณา อย่างไรก็ตามยังมีตัวต้านทานค่าขนาดเล็กมากในตลาดซึ่งความต้านทานอยู่ในช่วงมิลลิโอห์ม ในกรณีเช่นนี้ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวต้านทานก็น้อยมากเช่นกัน จำเป็นต้องใช้เครื่องขยายเสียงอัตราขยายสูงเพื่อเพิ่มแอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้าและในที่สุดกระแสไฟฟ้าจะถูกวัดโดยใช้พื้นฐานการคำนวณย้อนกลับ

อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับเทคนิคการตรวจจับกระแสประเภทนี้คือการใช้การติดตาม PCB เป็นตัวต้านทานแบบปัด เนื่องจากรอยทองแดงของ PCB มีความต้านทานน้อยมากจึงสามารถใช้การติดตามเพื่อวัดกระแสได้ อย่างไรก็ตามในแนวทางอื่นเช่นนี้การพึ่งพาหลายอย่างก็เป็นข้อกังวลอย่างมากเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ถูกต้อง ปัจจัยหลักที่เปลี่ยนเกมคือการลอยของอุณหภูมิ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิความต้านทานการติดตามจะเปลี่ยนไปส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาด จำเป็นต้องชดเชยข้อผิดพลาดนี้ในแอปพลิเคชัน

ข้อดี:

1. โซลูชันที่คุ้มค่ามาก
2. สามารถทำงานใน AC และ DC
3. ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เพิ่มเติม

จุดด้อย:

1. ไม่เหมาะสำหรับการทำงานในปัจจุบันที่สูงขึ้นเนื่องจากการกระจายความร้อน
2. การวัดค่า Shunt ทำให้ประสิทธิภาพของระบบลดลงโดยไม่จำเป็นเนื่องจากการสิ้นเปลืองพลังงานทั่วทั้งตัวต้านทาน
3. การระบายความร้อนทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการใช้งานที่อุณหภูมิสูง

การประยุกต์ใช้ตัวต้านทาน Shunt ประกอบด้วยแอมป์มิเตอร์แบบดิจิตอล นี่เป็นวิธีที่ถูกต้องและถูกกว่านอกเหนือจากเซ็นเซอร์ Hall Effect ตัวต้านทานแบบแบ่งยังสามารถให้เส้นทางความต้านทานต่ำและช่วยให้กระแสไฟฟ้าผ่านจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในวงจร

วิธีการเลือกวิธีการตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่เหมาะสม?

การเลือกวิธีการที่เหมาะสมสำหรับการตรวจจับในปัจจุบันไม่ใช่เรื่องยาก มีปัจจัยบางประการที่ต้องพิจารณาในการเลือกวิธีการที่เหมาะสมเช่น:

1. ต้องการความแม่นยำมากแค่ไหน?
2. การวัด DC หรือ AC หรือทั้งสองอย่าง?
3. ต้องใช้พลังงานเท่าไร?
4. ช่วงปัจจุบันและแบนด์วิดท์ที่จะวัดคืออะไร?
5. การคิดต้นทุน

นอกจากนี้ยังต้องพิจารณาถึงความไวที่ยอมรับได้และการปฏิเสธสัญญาณรบกวนด้วย เนื่องจากทุกปัจจัยไม่สามารถทำให้พอใจได้จึงมีการแลกเปลี่ยนบางอย่างเพื่อประนีประนอมคุณสมบัติหนึ่งกับอีกคุณสมบัติหนึ่งขึ้นอยู่กับลำดับความสำคัญของข้อกำหนดของแอปพลิเคชัน