30105-1002 เครื่องมือวัดไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์_02_หลักการทำงาน

30105-1002 เครืองมือวดั ไฟฟ้าและอเิ ลก็ ทรอนิกส์ หลกั การทาํ งานโครงสร้าง การขยายยา่ นวดั Mr. Tanan SRISAKUL Dept. of Teacher Training in Electronic, Communication Computer and Mechatronics 30105-1002 เครืองมือวดั ไฟฟ้าและอเิ ลก็ ทรอนิกส์, Tanan Srisakul

แอมมเิ ตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC Ammeter) เป็นเครืองวดั ไฟฟ้ากระแสตรงทีใชว้ ดั กระแสไฟฟ้าไดห้ ลายค่าคือวดั กระแสไฟฟ้าเป็นไมโครแอมแปร์ เรียกวา่ ไมโครแอมมิเตอร์ (Microammeter) ใชว้ ดั กระแสไฟฟ้าเป็นมิลลิ แอมแปร์ เรียกวา่ มิลลิแอมมิเตอร์ (Milliammeter) และใชว้ ดั กระแสไฟฟ้าเป็นแอมแปร์ เรียกวา่ แอมมิเตอร์ ตวั อยา่ งมิลลิแอมมิเตอร์และแอมมิเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ดงั รูปที 2.21 2.3.1 โครงสร้างของแอมมิเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง โครงสร้างของแอมมิเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ประกอบดว้ ยส่วนสาํ คญั 2 ส่วน คือ ขดลวดเคลือนทีแบบแม่เหล็กถาวร และตวั ตา้ นทานชนั ต์ 1. ขดลวดเคลือนทีแบบแม่เหลก็ ถาวร โครงสร้างของมิเตอร์เบืองตน้ จะใชร้ ูปแบบของดาร์สนั วาลมิเตอร์ตามทีกล่าวในหน่วยที 1 เรืองขดลวดเคลือนที จะอาศยั การทาํ งานโดยใชก้ ระแสไฟฟ้าจา่ ยเขา้ มิเตอร์แต่เนืองจากโครงสร้างมีขนาดเล็กขดลวด เคลือนทีจึงรับกระแสไฟฟ้าไดจ้ าํ กดั ค่าหนึงซึงนอ้ ยมากแต่เกิดความคล่องตวั ในการทาํ งานในขณะบา่ ยเบนไปของอาร์เมเจอร์จะเกิดแรงเสียดทานนอ้ ยช่วยใหก้ ารวดั ค่าเกิดความเทียงตรงมากขึนดว้ ยขอ้ จาํ กดั ของโครงสร้างจึงทาํ ใหด้ าร์สันวาลมิเตอร์ถูกจาํ กดั การใชง้ านในวงแคบๆแต่ถา้ ตอ้ งการวดั กระแสไฟฟ้าปริมาณสูงเกินค่าจาํ กดั ของกระแสไฟฟ้า จึงตอ้ งหาตวั ตา้ นทานมาต่อขนานเพือแบ่งกระแสไฟฟ้าส่วนทีเกินค่าจาํ กดั มาตอ่ โครงสร้างของดาร์ สันวาลมิเตอร์จะเป็ นขดลวดเคลือนทีแบบแม่เหลก็ ถาวร (Permanent Magnet Moving Coil: PMMC) แสดงดงั รูปที 2.22

จากรูปที .22 แสดงแม่เหล็กถาวรรูปเกือกมา้ กบั แกนเหลก็ อ่อนทรงกระบอกทีติดกบั แม่เหล็กถาวรระหวา่ งขวั เหนือ–ใต้ โดยมีขดลวดเลก็ ๆ พนั อยรู่ อบ ๆ เรียกวา่ ขดลวดอามาเจอร์(Armature) หรือขดลวดเคลือนที ขดลวดนีจะพนั บนรอบเหลก็ สีเหลียมทีมีนาํ หนกั เบามาก ๆ และติดยึดอยบู่ นเดือยเพือให้สามารถเกิดการหมุนได้ เขม็ ชีจะถูกยดึ ติดอยกู่ บั ขดลวด เข็มชีจะบ่ายเบนเมือขดลวดเคลือนทีเกิดการหมุน 2. ตวั ตา้ นทานชนั ต์ การสร้างมิเตอร์วดั กระแสไฟฟ้าตรงแตล่ ะชนิดมีขอ้ จาํ กดั คือขดลวดของเครืองวดั เล็กมากจึงรับกระแสไฟฟ้าไดค้ า่ จาํ กดั ค่าหนึงซึงนอ้ ยมาก เมือตอ้ งการวดั กระแสไฟฟ้าทีมีปริมาณสูงเกินคา่ จาํ กดั ของ กระแสไฟฟ้า จึงตอ้ งหาตวั ตา้ นทานมาต่อขนานหรือเรียกวา่ “ตวั ตา้ นทานชนั ต์ (Shunt Resistor: RSh)” มาตอ่ ขนานเขา้ กบั ดาร์สนั วาลมิเตอร์ตวั ตา้ นทานขนานจะทาํ หนา้ ทีแบง่ กระแสไฟฟ้าส่วนเกินทีดาร์–สันวาลมิเตอร์รับไม่ได้ ใหผ้ า่ นตวั ตา้ นทานขนานนนั ไปลกั ษณะของตวั ตา้ นทานชนั ตท์ ีใชต้ ่อขนานกบั ดาร์สันวาลมิเตอร์แสดงดงั รูปที 2.23 ซึงสามารถต่อเพิมเขา้ ไปจากภายนอกมิเตอร์ไดเ้ พือช่วยเพิมใหแ้ อมมิเตอร์วดั กระแสไฟฟ้าไดส้ ูงมากขึน

2.3.2 การขยายย่านวดั ของแอมมิเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง การขยายยา่ นวดั ของขดลวดเคลือนทีแบบแมเ่ หล็กถาวรเพอื ทาํ เป็ นแอมมิเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง มี 2 วธิ ี คือใชต้ วั ตา้ นทานชนั ตแ์ บบตวั เดียวหรือแบบซิงเกิลชนั ต์ และใชต้ วั ตา้ นทานแบบอาร์ตนั ชนั ต์ 1. การขยายยา่ นวดั ของแอมมิเตอร์แบบซิงเกิลชนั ต์ การขยายยา่ นวดั ของแอมมิเตอร์ยา่ นวดั เดียวแบบซิงเกิลชนั ต์ (Single Shunt Type of Ammeter) ใชห้ ลกั การของการขนาน โดยนาํ ตวั ตา้ นทานชนั ต์ (ShuntResistor: RSh) มาตอ่ ขนานดงั รูปที 2.24 เพือแบง่ กระแสไฟฟ้า เขา้ แอมมิเตอร์ไม่ให้เกินกระแสไฟฟ้าเตม็ สเกล จากรูปที 2.24 เมือนาํ มาเขียนเป็นวงจรไฟฟ้าของแอมมิเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (Ammeter Circuit) ไดด้ งั รูปที 2.25 และเป็นพืนฐานของการขยายยา่ นวดั ของแอมมิเตอร์ประกอบดว้ ยขดลวดเคลือนทีแบบแมเ่ หลก็ ถาวรและตวั ตา้ นทานชนั ตซ์ ึงมีค่าความตา้ นทานตาํ กระแสมิเตอร์(IM)หรือกระแสไฟฟ้าขดลวดจะเป็นสดั ส่วนทีส่งผลไปยงั กระแสชนั ต์ (ISh) ดงั นนั กระแสไฟฟ้า I จึงเป็นยา่ นวดั (Range) ของแอมมิเตอร์

จากรูปที 2.25 โดยเพิม RS ต่อขนานกบั ดาร์สนั วาลมิเตอร์ RM เมือจ่ายกระแสไฟฟ้าเขา้ มาในวงจร กระแสไฟฟ้าถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วน ส่วนหนึงผา่ นดาร์สันวาลมิเตอร์ อีกส่วนหนึงผา่ นตวั ตา้ นทานชนั ตอ์ กั ษรยอ่ ต่างๆ กาํ หนดไวด้ งั นี RM = ความตา้ นทานของขดลวดเคลือนที(ความตา้ นทานภายใน) หน่วยโอห์ม (W) RSh = ความตา้ นทานชนั ต์ หน่วยโอห์ม (W) IM = กระแสไฟฟ้าสูงสุดเตม็ สเกลของขดลวดเคลือนที หน่วยแอมแปร์ (A) ISh = กระแสไฟฟ้าไหลผา่ นตวั ตา้ นทานชนั ตห์ น่วยแอมแปร์ (A) I = กระแสไฟตรงรวมทีไหลผา่ นเขา้ วงจรไฟฟ้าของแอมมิเตอร์ หน่วยแอมแปร์ หรือกระแสไฟฟ้าสูงสุดเตม็ สเกล (Full Scale Deflection Current: FSD) ของแอมมิเตอร์ (กระแสไฟฟ้านีจะไหลไปยงั โห ทีตอ้ งการวดั ) เนืองจากตวั ตา้ นทานชนั ต์ (RSh) ตอ่ เป็นวงจรขนานกบั ดาร์สันวาลมิเตอร์มีความตา้ นทาน RMดงั นนั แรงดนั ไฟฟ้าตกคร่อมตวั ตา้ นทานชนั ตเ์ ท่ากบั แรงดนั ไฟฟ้าตกคร่อมดาร์สนั วาลมิเตอร์ ตามคุณสมบตั ิของวงจรขนาน เขียนสมการไดเ้ ป็ น

ในการออกแบบการขยายยา่ นวดั แอมมิเตอร์จะออกแบบใหก้ ระแสไฟฟ้าทีไหลผา่ นความตา้ นทานชนั ต์ (ISh) มีค่ามากกวา่ กระแสไฟฟ้าทีไหลเขา้ มิเตอร์ (IM) มาก ๆ เพอื ป้องกนั ไมใ่ หข้ ดลวดเคลือนทีแบบแม่เหล็กถาวร ชาํ รุด

ตวั อย่างที 2.11 จากรูปที 2.26 แอมมิเตอร์เป็ นแบบขดลวดเคลือนทีแบบแม่เหล็กถาวร มีความตา้ นทานขดลวด (ภายใน) RM= 99 W ทีเขม็ ชีเตม็ สเกลมีกระแสไฟฟ้าไหลผา่ นขดลวด 0.1 mA ความตา้ นทานชนั ตR์ Sh= 1 W จงหา ค่าต่อไปนี(Bell, David A., 1994: 41) ก) กระแสไฟฟ้ารวมไหลเขา้ แอมมิเตอร์ขณะเขม็ ชีเตม็ สเกล ข) กระแสไฟฟ้ารวมไหลเขา้ แอมมิเตอร์ขณะเขม็ ชีที 0.5 ของเต็มสเกล



ตวั อย่างที 2.12 จากรูปที 2.27 แอมมิเตอร์ขนาด 1 mA มีความตา้ นทานขดลวด 100 Wตอ้ งการ ทาํ ใหเ้ ป็นแอมมิเตอร์ ขนาด 0–100 mA จงหาค่าความตา้ นทานชนั ตท์ ีจะนาํ มาต่อขนาน

2.3.3 การขยายย่านวดั ของแอมมิเตอร์หลายย่านวดั แบบซิงเกลิ ชันต์ แอมมิเตอร์หลายยา่ นวดั (Multi–Range Ammeters) แบบซิงเกิลชนั ต์ ดงั รูปที 2.28 ใชใ้ นกรณีทีตอ้ งการแอมมิเตอร์เพอื ใหส้ ามารถวดั กระแสไฟฟ้าไดห้ ลายคา่ ในเครืองเดียวกนั ตวั ตา้ นทานชนั ตแ์ ต่ละยา่ นวดั จะแยกอิสระ ต่อกนั และใชส้ วติ ชเ์ ลือก (Selector Switch) เป็นตวั เปลียนยา่ นวดั แต่มีขอ้ เสียคือเมือนาํ แอมมิเตอร์ไปวดั กระแสไฟฟ้าของวงจรใด ๆ แลว้ ขณะเปลียนยา่ นวดั ไปยงั ยา่ นวดั ต่อไปทาํ ใหก้ ระแสไฟฟ้ารวมของวงจรไหลเขา้ ขดลวด เคลือนที จนทาํ ใหเ้ กิดความเสียหายได้ 2.3.4 การขยายย่านวดั ของแอมมิเตอร์แบบอาร์ตันชันต์ การขยายยา่ นวดั ของแอมมิเตอร์แบบอาร์ตนั ชนั ต์ (Ayrton Shunt) หรือเรียกวา่ ยนู ิเวอร์เซลชนั ต์ (Universal Shunt) ใชห้ ลกั การของวงจรขนานเหมือนกบั แบบซิงเกิลชนั ตโ์ ดยใชต้ วั ตา้ นทานชนั ต์ ยา่ นวดั ตาํ สุดใหถ้ ูก แบง่ ไปใหย้ า่ นวดั ถดั ไปตามลาํ ดบั จนถึงยา่ นวดั สูงสุด ดงั รูปที 2.29 ทาํ ใหไ้ มม่ ีปัญหาเหมือนกบั การเปลียนยา่ นวดั ของแอมมิเตอร์หลายยา่ นวดั แบบซิงเกิลชนั ต์ เนืองจากมีตวั ตา้ นทานชนั ตต์ อ่ ขนานอยกู่ บั ขดลวดเคลือนทีเพือแบ่ง กระแสไฟฟ้าส่วนทีเกินอยตู่ ลอดเวลา จึงไม่ทาํ ใหข้ ดลวดเคลือนทีเกิดความเสียหายเนืองจากกระแสไฟฟ้าเกิน (Jones, Larry D. & Chin, Foster A. 1991: 26)

จากรูปที 2.29 อาร์ตนั ชนั ตป์ ระกอบดว้ ย RSh1, RSh2และ RSh3 และอธิบายทิศทางกระแสไฟฟ้าและแรงดนั ไฟฟ้าตกคร่อมไดด้ งั รูปที 2.30 ความตา้ นทานชนั ต:์ RShT = RSh1+ RSh2+RSh3 ........... (2.6)

ถา้ สวติ ชเ์ ลือกอยตู่ าํ แหน่ง C ดงั รูปที 2.30 ข) เป็ นผลให้ RSh2 + RSh3 ตอ่ ขนานกบั RM+ RSh1 แรงดนั ไฟฟ้าตกคร่อมสาขาทีขนานกนั จะเทา่ กนั ในเทอมของกระแสไฟฟ้าและความตา้ นทาน จะได้

ตวั อย่างที 2.13 จากรูปที 2.31 แอมมิเตอร์แบบ PMMC จงหาความตา้ นทานชนั ต(์ Jones, Larry D. & Chin, Foster A. 1991: 27)





2.3.5 การใช้งานแอมมิเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง . การวดั กระแสไฟฟ้าโดยใชแ้ อมมิเตอร์ การวดั กระแสไฟฟ้าจะใชแ้ อมมิเตอร์เป็นเครืองมือวดั โดยต่ออนุกรมกบั โหลด อธิบายไดด้ งั รูปที 2.33 2. ขอ้ ควรคาํ นึงในการใชแ้ อมมิเตอร์ (1) แอมมิเตอร์จะตอ้ งตอ่ อนุกรมกบั โหลดในวงจร (2) ต่อใหถ้ ูกขวั ถา้ ตอ่ ผดิ ขวั จะทาํ ใหเ้ ขม็ ตีกลบั และเกิดการเสียหายได้ (3) การเลือกแอมมิเตอร์ทีเหมาะสมในการวดั กระแสไฟฟ้า กรณีใชแ้ อมมิเตอร์แบบวดั ไดห้ ลายค่าและไมท่ ราบคา่ กระแสไฟฟ้า ใหใ้ ชย้ า่ นวดั สูงสุดของมิเตอร์ก่อนแลว้ จึงปรับหายา่ นวดั ทีเหมาะสม เพอื ให้ ไดผ้ ลถูกตอ้ ง ควรใหเ้ ขม็ ชีชีแสดงค่าออกมาบนสเกลอยปู่ ระมาณกลางๆสเกลไมค่ วรตาํ หรือสูงเกินไป (4) ไม่ต่อแอมมิเตอร์โดยตรงกบั แหล่งจ่ายไฟฟ้า เนืองจากขดลวดเคลือนทีภายในแอมมิเตอร์มีค่าความตา้ นทานตาํ มาก ทาํ ใหก้ ระแสไฟฟ้าไหลผา่ นแอมมิเตอร์จาํ นวนมากทาํ ใหเ้ กิดความเสียหายได้ จึงควร ลดทอนกระแสไฟฟ้าลงโดยตอ่ ตวั ตา้ นทานชนั ตท์ ีเหมาะสมกบั แอมมิเตอร์ก่อนนาํ ไปใชว้ ดั

2.3.6 การอ่านค่ากระแสไฟฟ้าจากสเกล การอา่ นคา่ กระแสไฟฟ้าทีเขม็ ชีของแอมมิเตอร์แสดงค่าไวม้ ุมทีมองเขม็ ชีเพอื อ่านคา่ กระแสบนสเกลมิเตอร์ควรมองจากดา้ นหนา้ เขา้ มายงั มิเตอร์ไมค่ วรมองในมุมเอียงซา้ ยเอียงขวาเพราะคา่ ทีอา่ นไดอ้ าจผดิ พลาดไป ทาํ ใหอ้ า่ นค่าไดไ้ มถ่ ูกตอ้ ง ตัวอย่างที .14 จากรูปที 2.34 จงอา่ นคา่ กระแสไฟฟ้าทีวดั ได้ จากรูปที 2.34 อา่ นค่าได้ 65 mA อธิบายไดค้ ือ ระหวา่ งเลข 60 ไป 80 แบง่ ออกเป็น 4 ส่วน แต่ละส่วนมีค่าเทา่ กบั 5 mA หรือขีดละ 5 mA ดงั นนั จึงอ่านคา่ ได้ 60 + 5 = 65 mA ตวั อย่างที 2.15 จากรูปที 2.35 จงอ่านค่ากระแสไฟฟ้าทีวดั ได้

จากรูปที 2.35 อ่านคา่ ได้ 18 mA อธิบายไดค้ ือ ระหวา่ งเลข 10 ไป 20 แบง่ ออกเป็น 10 ส่วนแต่ละส่วนมีค่าเทา่ กบั 1 mA หรือขีดละ 1 mA ดงั นนั จึงอา่ นคา่ ได้ 10 + 8 = 18 mA ตัวอย่างที 2.15 จากรูปที 2.36 จงอ่านค่ากระแสไฟฟ้าทีวดั ได้ เมือนาํ แอมมิเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงไปวดั กระแสไฟฟ้า วธิ ีอ่าน ตอบ ยา่ น 0–2.5 mA อา่ นค่าได้ = 1.10 mA ยา่ น 0–25 mA อ่านคา่ ได้ = 11.0 mA ยา่ น 0–250 mA อ่านคา่ ได้ = 110 mA

ตวั อย่างที 2.16 จากรูปที 2.37 จงอา่ นค่ากระแสไฟฟ้าทีวดั ได้ เมือนาํ แอมมิเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ไปวดั กระแสไฟฟ้า วธิ ีอ่าน ตอบ ยา่ น 0–2.5 mA อ่านค่าได้ = 1.65 mA ยา่ น 0–25 mA อ่านค่าได้ = 16.5 mA ยา่ น 0–250 mA อ่านคา่ ได้ = 165 mA