เครื่องตรวจสอบการ Unbalance Load ตอนที่ 2

3. การออกแบบในแต่ละส่วน

          ในหัวข้อการออกแบบนี้จะกล่าวถึงการออกแบบและรายละเอียดการทำงานในแต่ละส่วนของวงจร

3.1 วงจรสำหรับตรวจจับกระแส 

          วงจรในส่วนนี้จะทำหน้าที่หลัก ในการตรวจจับกระแสที่ไหลผ่านสายไฟฟ้าไปยังโหลด หรือ ผู้ใช้ไฟ โดยใช้หม้อแปลงกระแส ( Current transformers ) จำนวน 2 ลูก  โดย CT1 (500/5A)  ทำหน้าที่เป็นตัวแปลงกระแส จากที่มีค่าสูงให้มีค่าต่ำลง  ส่วน CT2 (5/20A) จะใช้ในการแปลงกระแสที่มีค่าต่ำจาก 0-5A ให้มีค่าสูงขึ้นเป็น 0-20A เพื่อที่จะนำไปใช้กับตัววัดกระแส ฮอลล์เซนเซอร์ ให้ได้ค่าตามความต้องการของอุปกรณ์ตรวจวัดกระแส 

รูปที่ 3.2  แสดงวงจรตรวจวัดกระแส

3.2 วงจรเปลี่ยนกระแสเป็นแรงดัน ( Current to Voltage Converters )

          วงจรในส่วนนี้จะทำหน้าที่ในการแปลงสัญญาณกระแส  ที่ได้รับมาจาก หม้อแปลงกระแสให้เป็นแรงดัน โดยในส่วนนี้จะประกอบด้วยวงจรย่อย 2 ส่วน ได้แก่ วงจรแปลงกระแสเป็นแรงดัน และ วงจรปรับค่าความชัน

รูปที่ 3.3 แสดงวงจรเปลี่ยนกระแสเป็นแรงดันและวงจรปรับค่าความชัน

จากรูปที่ 3.3 จะแบ่งการทำงานออกเป็น 2 ส่วน คือ

3.2.1 วงจรเปลี่ยนกระแสเป็นแรงดันโดยใช้ฮออลล์เซนเซอร์

           โดยในวงจรนี้ได้นำเอาไอซีฮอลล์เซนเซอร์  ( ACS712-20AT ) มาใช้เป็นตัว เปลี่ยนกระแสเป็นแรงดัน ซึ่งมีการทำงานโดยวิธีการวัดความเข็มของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นรอบๆตัวนำขณะที่มีกระแสไหลผ่านโดยจะใช้ร่วมกับ แกนเฟอร์ไรต์ 

รูปที่ 3.4 แสดงวงจรเปลี่ยนกระแสเป็นแรงดัน

 ซึ่งในการที่จะนำไปใช้กับงานอิเล็กทรอนิกส์ จึงจำเป็นต้องทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กลง เพื่อเป็นการประหยัดพื้นที่  จึงได้มีการรวมเอา ฮอลล์เซนเซอร์ กับ แกนเฟอร์ไรต์ และวงจรอิเล็กทรอนิกส์รวมเข้าด้วยกันเป็น ไอซีชิปเดียว ซึ่งมีลักษณะวงจรภายในดังรูปที่ 3.5

รูปที่ 3.5 แสดงวงจรภายใน ไอซี ฮอลล์เซนเซอร์

การทำงานของไอซีฮอลล์เซนเซอร์ เมื่อจ่ายไฟเลี้ยง +VCC ให้กับไอซี แรงดันเอาต์พุตปกติของไอซี จะอยู่ที่ประมาณครึ่งหนึ่งของแหล่งจ่าย ขณะทียังไม่มีกระแสไหลผ่านตัวไอซี  เช่น ถ้าจ่ายไฟเลี้ยงที่ 5V ให้กับไอซี  ขณะที่ยังไม่มีกระแสไหลผ่านตัวไอซี  แรงดันเอาต์พุตปกติของไอซี จะได้เท่ากับ  2.5 V และเมื่อมีกระแสไหลผ่านตัวไอซี  แรงดันเอาต์พุตของไอซี จะเพิ่มขึ้นหรือลดลง ตามปริมาณของกระแสที่ไหลผ่านตัวไอซี นั้นเองซึ่งดูได้จากรูปที่ 3.6

รูปที่ 3.6 แสดงกราฟคุณสมบัติของไอซีฮอลล์เซนเซอร์

3.2.2 วงจรปรับค่าความชัน( Slope ) และตำแหน่งศูนย์ ( Zero )

                วงจรในส่วนนี้ เป็นวงจรที่นำมาใช้ปรับแต่งสัญญาณ ระหว่างสัญญาณอินพุท กับ เอาต์พุท ให้มีความสัมพันธ์เป็นไปตามเงื่อนไขที่ต้องการ โดยจะพิจารณาจาก กราฟความสัมพันธ์ระหว่าง Vout  กับ Vin  ซึ่งอยู่ในรูปของสมการเส้นตรง

รูปที่ 3.7  รูปกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Vout  กับ  Vin

ซึ่งวงจรที่นำมาใช้ปรับแต่งสัญญาณ จะประกอบด้วยวงจรรวมสัญญาณ (Summing amplifier ) A1 และวงจรขยายกลับเฟส (Inverting amplifier ) A2  ซึ่งมีอัตราขยายเท่ากับ -1 

รูปที่ 3.8 แสดงการออกแบบวงจรปรับความชันและตำแหน่งศูนย์

ดังนั้น จากรูปวงจรที่ 3.8 แรงดันของ A1 จะได้เท่ากับ 

จากนั้นสัญญาณเอาต์พุท ที่ได้จาก A1 จะถูกป้อนให้เป็นสัญญาณอินพุท ให้กับ A2 ซึ่งต่อเป็นวงจรขยายที่มีอัตราขยายเท่ากับ -1 ทำให้แรงดันเอาต์พุทของ A2 ได้เท่ากับ

จากคุณสมบัติของกราฟความสัมพันธ์ระหว่าง Vout  กับ Vin  ของวงจรนั้นอยู่ในรูปของสมการเส้นตรงเราสามารถพิจารณาได้จากสมการ

y = mx+b

ดังนั้นเมื่อเปรียบเทียบสมการ ที่ (3.1) กับ (3.2) จะได้

จากสมการข้างต้นเราสามารถออกแบบวงจรปรับความชันได้ดังนี้

                จากคุณสมบัติของไอซีฮอลล์เซนเซอร์ ตามรูปที่ 3.6 แรงดันเอาต์พุทเริ่มต้นของไอซี อยู่ที่ 2.5 V และ แรงดันเอาต์พุทสูงสุดอยู่ที่ 4.5 V ในการออกแบบวงจรเราต้องการแรงดันเอาต์พุท ที่ 0-3 V เพื่อนำไปจ่ายให้แก่วงจร A to D ของไมโครฯ  ดังนั้นเราสามารถคำนวณหาค่าตัวต้านทานต่างๆของวงจรได้จาก

ดังนั้นต้องเลือก  เป็นไฟลบ และในการออกแบบนี้เลือกที่ -5 V จะได้

จากการคำนวณหาตัวต้านทานข้างต้นจะได้

= -5V  , Rf = 150 kΩ  , Ri = 100 kΩ , Ros = 167 kΩ , Rcomp = 44.15 kΩ และในวงจรกลับเฟสของ A2  เรากำหนดให้ R มีขนาดเท่ากันคือ 10 kΩ ส่วน R/2 เราสามารถหาได้โดยนำ R 10 kΩ /2 จะได้ R/2 = 5 kΩ    เมื่อทำการคำนวณเสร็จแล้วจะได้ดังรูปที่ 3.9

รูปที่ 3.9 แสดงวงจรที่คำนวณหาค่าต่างๆเรียบร้อยแล้ว

อ่านเพิ่ม >>