
เรียนรู้ว่าแอมมิเตอร์ทำงานอย่างไร วิธีการต่อวงจร และเหตุใดแอมมิเตอร์จึงมีความสำคัญต่อการวัดกระแสไฟฟ้า
ตามชื่อของมัน แอมมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่ใช้สำหรับวัดกระแสไฟฟ้า (I) โดยชื่อ “แอมมิเตอร์” มาจากหน่วยวัดกระแสไฟฟ้าคือ “แอมแปร์” (Ampere) หรือเรียกสั้น ๆ ว่า “แอมป์” อย่างไรก็ตาม ในการวัดกระแสไฟฟ้า จำเป็นต้องต่อแอมมิเตอร์เข้ากับวงจรเพื่อให้กระแสไฟฟ้าที่ต้องการวัดไหลผ่านแอมมิเตอร์ กล่าวคือ แอมมิเตอร์ควรต่ออนุกรมกับวงจรหรืออุปกรณ์ที่ต้องการวัดเสมอ
แต่ปัญหาอยู่ที่นี่ ดังที่เราได้เห็นในบทเรียนก่อนหน้านี้เกี่ยวกับโวลต์มิเตอร์ การเบี่ยงเบนเต็มสเกล (Full-Scale Deflection: FSD) ของมิเตอร์ PMMC มาตรฐานนั้นมีค่าค่อนข้างต่ำ ดังนั้นมิเตอร์จึงสามารถรองรับกระแสไฟฟ้าได้เพียงเล็กน้อย ตั้งแต่ 0 ถึง I_FSD ซึ่งระบุเป็นไมโครแอมแปร์ (µA) หรือมิลลิแอมแปร์ (mA) เนื่องจากลวดที่ใช้พันขดลวดเคลื่อนที่ของ PMMC มีขนาดเล็กมาก แล้วถ้าเราต้องการวัดกระแสไฟฟ้าในวงจรที่มีค่าสูงกว่านี้ หรือสูงถึงระดับหลายสิบแอมแปร์ล่ะ? เพราะกระแสไฟฟ้าที่สูงเกินกว่าค่านี้มากจะทำให้เข็มมิเตอร์เคลื่อนที่เกินขีดจำกัดการเบี่ยงเบนเต็มสเกล ซึ่งอาจทำให้ขดลวดร้อนเกินไปหรือเสียหายได้ และอาจทำให้เข็มมิเตอร์งอได้ด้วย
ดังนั้น เราจะใช้มิเตอร์ PMMC มาตรฐานในการวัดกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่าค่าที่กำหนดสำหรับ FSD ได้อย่างไร? ในการวัดกระแสไฟฟ้าในวงจร จะต้องต่อแอมมิเตอร์แบบอนุกรม และเนื่องจากแอมมิเตอร์มีความต้านทานของขดลวดค่อนข้างต่ำ (R_G) จึงมีผลต่อค่ากระแสไฟฟ้าที่วัดได้ เมื่อใช้มิเตอร์ PMMC เป็นแอมมิเตอร์ เราสามารถขยายช่วงการวัดให้กว้างขึ้นได้ด้วยความช่วยเหลือของ “ตัวต้านทานชันต์” (Shunt Resistor) ที่ต่อขนานกับมิเตอร์ วิธีนี้ช่วยให้สามารถวัดกระแสตรงที่มีค่าสูงกว่ากระแสเต็มสเกลปกติได้หลายเท่า เนื่องจากมีกระแสเพียงบางส่วนเท่านั้นที่ไหลผ่านมิเตอร์
ตัวต้านทานชันต์ ไม่ว่าจะเป็นแบบภายในหรือภายนอก ช่วยให้สามารถใช้แกลวานอมิเตอร์ที่มีความไวสูงและรองรับกระแสต่ำเป็นแอมมิเตอร์ที่มีช่วงการวัดกว้างได้ โดยสร้างเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำขนานกับแกลวานอมิเตอร์แบบขดลวดเคลื่อนที่ ซึ่งมีความต้านทานสูงกว่าและมีความไวต่อกระแส
ความไวต่อกระแสไฟฟ้าของแอมมิเตอร์ถูกกำหนดโดยปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ขดลวดของแอมมิเตอร์ต้องการ เพื่อให้เข็มชี้ของแอมมิเตอร์เคลื่อนที่เต็มสเกลจากศูนย์ถึงค่าสูงสุด (FSD) ปริมาณการเบี่ยงเบนของขดลวดมิเตอร์ ซึ่งเรียกว่า “การเบี่ยงเบน” (Φ) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแรงของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวด เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเป็นตัวสร้างสนามแม่เหล็กที่จำเป็นต่อการเบี่ยงเบนเข็มมิเตอร์ โดยค่าการเบี่ยงเบนสามารถระบุเป็นองศาต่อแอมแปร์ (°/A) หรือเรเดียนต่อแอมแปร์ (rad/A)
ดังนั้น ยิ่งใช้กระแสไฟฟ้าน้อยเท่าใดเพื่อทำให้เข็มมิเตอร์เบี่ยงเบนถึงค่าที่กำหนด ความไวของมิเตอร์ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น จากนั้นเราจะเห็นว่าเข็มของแอมมิเตอร์เคลื่อนที่ตามกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน ดังนั้น หากกลไกมิเตอร์ต้องการกระแสเพียง 100 ไมโครแอมแปร์สำหรับการเบี่ยงเบนเต็มสเกล (FSD) ก็จะมีความไวมากกว่ากลไกมิเตอร์ที่ต้องการกระแส 1 มิลลิแอมแปร์สำหรับการเบี่ยงเบนเต็มสเกล (FSD)
โดยการต่อตัวต้านทานชันต์ภายนอกเข้ากับมิเตอร์แบบขนาน แทนที่จะต่อแบบอนุกรมเหมือนในกรณีของโวลต์มิเตอร์ เราสามารถขยายช่วงการวัดของมิเตอร์ได้ เนื่องจากตัวต้านทานที่ต่อขนานกันจะก่อให้เกิดวงจรแบ่งกระแส ซึ่งจะแบ่งกระแสที่วัดได้ตามสัดส่วนที่กำหนดโดยค่าความต้านทานของแต่ละแขนง ดังแสดงในภาพ
ในวงจรนี้ ตัวต้านทานแบบขนานที่มีค่าความต้านทานต่ำจะต่อขนานกับขั้วต่อของมิเตอร์ PMMC และได้รับการออกแบบให้รับกระแสส่วนใหญ่ของวงจร เพื่อให้มีกระแสเพียงส่วนน้อยไหลผ่านขดลวดของมิเตอร์ ดังนั้น ตัวต้านทานขนานจึงช่วยขยายช่วงการวัดกระแสของแอมมิเตอร์ให้สามารถวัดกระแสที่สูงขึ้นได้ โดยกระแส IGI_G ที่ไหลผ่านมิเตอร์จะเป็นสัดส่วนกับกระแสรวมของวงจร ITI_T ซึ่งทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมมิเตอร์ตามค่าที่ต้องการ เพื่อให้เข็มมิเตอร์เบนไปจนสุดสเกล
สมมติว่าเราต้องการใช้แกลวานอมิเตอร์ขนาด 100 ไมโครแอมป์ ซึ่งมีความต้านทาน 200 โอห์ม เพื่อวัดกระแสในวงจรได้สูงสุดถึง 1.0 แอมแปร์ เห็นได้ชัดว่าเราไม่สามารถต่อมิเตอร์เข้ากับวงจรโดยตรงเพื่อวัดกระแสขนาด 1 แอมแปร์ได้ ดังนั้น เราจึงต้องใช้ตัวต้านทานขนานเพื่อแบ่งกระแสส่วนใหญ่ไม่ให้ไหลผ่านมิเตอร์
โดยใช้กฎของโอห์ม เราสามารถคำนวณค่าของตัวต้านทานขนาน RSR_S ที่จำเป็นเพื่อให้มิเตอร์เบนเต็มสเกลได้ โดยแรงดันตกคร่อมมิเตอร์จะเท่ากับ IG×RGI_G \times R_G ซึ่งเป็นแรงดันเดียวกันกับที่ตกคร่อมตัวต้านทานขนาน เมื่อใช้วงจรนี้เพื่อวัดกระแสรวมในวงจรที่มีค่าสูงสุดไม่เกิน 1 แอมแปร์

ดังนั้น หากกระแสที่ทำให้กัลวานอมิเตอร์แสดงค่าเบี่ยงเบนเต็มสเกล (FSD) คือ 100 ไมโครแอมป์ ความต้านทานขนาน RSR_S ที่ต้องการจะคำนวณได้เป็น 0.02 โอห์ม สำหรับแรงดันตกคร่อม 20 มิลลิโวลต์ (V = I × R = 100 ไมโครแอมป์ × 200 โอห์ม) กระแส 100 ไมโครแอมป์จะไหลผ่านมิเตอร์ PMMC ขณะที่กระแส 999.9 มิลลิแอมป์จะไหลผ่านตัวต้านทานขนานที่มีค่าความต้านทานต่ำ ดังนั้น กระแสไฟฟ้าเกือบทั้งหมดในวงจร (ITI_T) จึงไหลผ่านตัวต้านทานขนาน โดยมีกระแสเพียงส่วนน้อยที่จำเป็นต่อการทำให้เข็มเบี่ยงเบนเต็มสเกล (FSD) ไหลผ่านขดลวดเคลื่อนที่ ด้วยเหตุนี้ เครื่องวัดกระแสไฟฟ้าที่มีความไวสูงจึงสามารถเปลี่ยนให้เป็นเครื่องวัดกระแสไฟฟ้าที่มีช่วงการวัด 0 ถึง 1.0 แอมแปร์ได้อย่างง่ายดาย โดยการต่อตัวต้านทานค่าต่ำที่เหมาะสมขนานกับมิเตอร์ ดังแสดงในภาพ

โปรดทราบว่าค่าความต้านทานขนาน (RS) นี้จะต้องมีค่าต่ำกว่าค่าความต้านทานภายในของขดลวด (RG) เพื่อให้กระแสไฟฟ้าส่วนหนึ่งไหลผ่านความต้านทานขนานแทนที่จะไหลผ่านขดลวด จากนั้น การทำงานของมิเตอร์ร่วมกับความต้านทานขนานภายนอกนี้จะเป็นพื้นฐานของแอมมิเตอร์แบบแอนะล็อกอย่างง่าย โดยไม่ขึ้นอยู่กับค่ากระแสเต็มสเกล (FSD) ของมิเตอร์ ตัวอย่างเช่น มิเตอร์วัดกระแสไฟฟ้าเครื่องเดียวกันสามารถใช้วัดกระแสไฟฟ้าในช่วง 0 ถึง 1 แอมแปร์, 0 ถึง 5 แอมแปร์ หรือ 0 ถึง 10 แอมแปร์ เป็นต้น ได้โดยง่าย เพียงใช้ค่าความต้านทานขนานที่แตกต่างกันกับกลไกการวัดเดียวกัน และปรับมาตราส่วนของมิเตอร์ให้เหมาะสม
ตัวอย่างการใช้งานแอมมิเตอร์ หมายเลข 1
เครื่องวัดกระแสไฟฟ้าแบบแกลวาโนมิเตอร์มีค่าความต้านทานขดลวดเคลื่อนที่ภายใน 100 โอห์ม และให้ค่าเบี่ยงเบนเต็มสเกลเมื่อกระแสไหล 3 มิลลิแอมป์ จงคำนวณค่าความต้านทานขนานที่จำเป็นในการแปลงเครื่องวัด PMMC ให้เป็นเครื่องวัดกระแสไฟฟ้ากระแสตรงที่มีช่วงการวัด 0 ถึง 5 แอมแปร์
ข้อมูลที่ให้มา: R G = 100Ω, I G = 3mA และ I T(max) = 5 แอมแปร์
ดังนั้นจึงต้องใช้ความต้านทาน 0.06 โอห์ม หรือ 60 มิลลิโอห์ม (60mΩ) เพื่อวัดความแรงกระแสสูงสุดที่ 5 แอมแปร์
ตัวอย่างการใช้งานแอมมิเตอร์ หมายเลข 2
มิเตอร์ PMMC มีความต้านทานขดลวด 200 โอห์ม และสเกลเข็มเชิงเส้นที่มีขีดแบ่ง 25 ช่อง หากมิเตอร์มีความไว 4 มิลลิแอมป์ต่อช่อง จงคำนวณหาความต้านทานขนานที่จำเป็นในการวัดกระแสสูงสุด 20 แอมแปร์
ถ้า 4mA เท่ากับ 1 ช่องแบ่ง ดังนั้น 25 ช่องแบ่ง จะเท่ากับ 25*4mA = 100mA หรือ 0.1 แอมแปร์ ดังนั้นมิเตอร์ PMMC จึงมีค่า FSD เท่ากับ 100mA
จากนั้นเราจะเห็นได้ว่า ค่าความต้านทานรวมที่วัดได้จากแอมมิเตอร์มีค่าประมาณเท่ากับค่าความต้านทานของตัวต้านทานชันท์ (Rs) ที่ต่ออยู่ และเห็นได้ชัดว่าค่าความต้านทานรวมจะลดลงเมื่อกระแสไฟฟ้าที่วัดได้เพิ่มขึ้น ดังนั้น ผลกระทบจากการโหลดของแอมมิเตอร์เมื่อต่ออนุกรมกับส่วนประกอบของวงจรที่ต้องการวัดกระแสจึงลดลงอย่างมาก ในอุดมคติแล้ว ความต้านทานรวมของแอมมิเตอร์ควรเป็นศูนย์ เนื่องจากตัวต้านทานชันท์ที่ใช้ในแอมมิเตอร์มีค่าความต้านทานต่ำมาก จึงมักทำจากลวดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางค่อนข้างใหญ่หรือแท่งทองแดงตัน ตัวต้านทานชันท์สำหรับวัดกระแสสูงมักจำหน่ายในรูปของแท่งโลหะที่ผ่านการปรับเทียบมาแล้ว เพื่อให้เกิดแรงดันตกคร่อมตามค่าที่กำหนด ซึ่งมักระบุเป็นหน่วยมิลลิโวลต์ (mV)
ดังที่เราได้เห็นไปแล้วในบทเรียนเกี่ยวกับโวลต์มิเตอร์ เครื่องมือวัดทางไฟฟ้าที่ใช้แกลวานอมิเตอร์สามารถดัดแปลงเป็นมิเตอร์แบบหลายช่วงได้โดยการเพิ่มตัวต้านทานที่เหมาะสมและใช้สวิตช์เลือกเพียงตัวเดียว
แอมมิเตอร์กระแสตรงแบบง่ายที่แสดงไว้ข้างต้นสามารถขยายช่วงการวัดเพิ่มเติมได้โดยการต่อตัวต้านทานแบบขนานหลายตัวเข้ากับมิเตอร์ โดยตัวต้านทานแต่ละตัวจะมีค่าที่เหมาะสมกับช่วงกระแสไฟฟ้าเฉพาะช่วง จนถึงขีดจำกัดที่เหมาะสมซึ่งกำหนดโดยขนาดและค่าความต้านทานต่ำของตัวต้านทานแบบขนานแต่ละตัว
ดังนั้น การเลือกตัวต้านทานแต่ละตัวทีละตัวด้วยสวิตช์แบบหลายตำแหน่ง 4 หรือ 5 ตำแหน่งเพียงตัวเดียว จะช่วยให้แอมมิเตอร์สามารถวัดกระแสไฟฟ้าได้หลายช่วงมากขึ้นโดยการหมุนสวิตช์เพียงครั้งเดียว การกำหนดค่าแอมมิเตอร์ในลักษณะนี้เรียกว่า แอมมิเตอร์แบบหลายช่วง (multirange ammeter)
ในการต่อวงจรแอมมิเตอร์แบบหลายช่วง ตัวต้านทานแบบขนาน Rₛ แต่ละตัวจะต่อขนาน (shunted) กับมิเตอร์เช่นเดียวกับที่กล่าวมาแล้ว เพื่อให้ได้ช่วงการวัดกระแสไฟฟ้าที่ต้องการ
หากสมมติว่าเราใช้มิเตอร์ที่มีค่ากระแสเต็มสเกล (FSD) 100 µA เช่นเดียวกับที่กล่าวไว้ข้างต้น และต้องการให้มิเตอร์สามารถวัดกระแสในช่วง 1 mA, 10 mA, 100 mA และ 1 A ตามลำดับ ค่าตัวต้านทานแบบขนานที่ต้องการสามารถคำนวณได้เช่นเดียวกับวิธีที่กล่าวมาแล้ว ดังนี้:
ให้วงจรแอมมิเตอร์แบบหลายช่วงโดยตรงดังนี้:
แม้ว่าการต่อโวลต์มิเตอร์โดยตรงในลักษณะนี้จะสามารถใช้งานได้ แต่ปัญหาสำคัญประการหนึ่งของการออกแบบนี้อยู่ที่ชนิดของสวิตช์เลือกหลายตำแหน่งที่ใช้ สวิตช์ส่วนใหญ่มีกลไกแบบ “ตัดก่อนต่อ” (break-before-make: BM) ซึ่งหมายความว่าเมื่อหมุนสวิตช์จากตำแหน่งหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่งเพื่อเลือกช่วงการวัดกระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ในช่วงเวลาสั้น ๆ ตัวต้านทานชันต์จะถูกตัดออกจากวงจรของมิเตอร์ ทำให้กระแสไฟฟ้าทั้งหมดที่กำลังวัดไหลผ่านขดลวดเคลื่อนที่ของมิเตอร์ ซึ่งอาจทำให้มิเตอร์เสียหายได้
วิธีหนึ่งในการแก้ไขปัญหานี้คือ การใช้สวิตช์แบบ “ต่อก่อนตัด” (make-before-break: MB) ซึ่งมีราคาสูงกว่า หรือกำหนดการเชื่อมต่อตัวต้านทานชันต์ในลักษณะที่ว่า เมื่อหมุนสวิตช์เลือกช่วง ตัวต้านทานเหล่านั้นยังคงเชื่อมต่ออยู่ในวงจร เพื่อป้องกันกลไกมิเตอร์ที่มีความละเอียดอ่อน วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการใช้แอมมิเตอร์กระแสตรงแบบทางอ้อม
การออกแบบที่ใช้งานได้จริงมากกว่าคือ การต่อแอมมิเตอร์แบบทางอ้อม โดยต่อตัวต้านทานชันต์หนึ่งตัวหรือมากกว่าเข้าด้วยกันแบบอนุกรมกับมิเตอร์ เพื่อให้ได้ช่วงกระแสไฟฟ้าที่ต้องการ
ข้อดีของวิธีนี้คือ นอกจากสามารถใช้ค่ามาตรฐานที่เหมาะสมสำหรับตัวต้านทานชันต์แล้ว ในทุกช่วงการวัด กลไกมิเตอร์ที่มีความละเอียดอ่อนยังคงถูกต่อขนานกับค่าความต้านทานที่เหมาะสมอีกด้วย
ดังนั้น หากเรายังคงใช้มิเตอร์ที่มีแรงดันเต็มสเกล (FSD) 50 mV และช่วงกระแสไฟฟ้า 1 mA, 10 mA, 100 mA และ 1 A เช่นเดิม ค่าความต้านทานที่ต้องการจะสามารถคำนวณใหม่ได้ดังนี้:
ให้วงจรแอมมิเตอร์แบบหลายช่วงทางอ้อมดังนี้:
จากที่เราได้เห็นในวงจรแอมมิเตอร์แบบอนาล็อก 4 ตำแหน่งทางอ้อมนี้ พบว่ายิ่งกระแสที่ต้องการวัดสูงเท่าใด ค่าความต้านทานขนานที่เลือกโดยสวิตช์ก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น ความต้านทานรวมที่ต่อขนานกับมิเตอร์ PMMC จะเท่ากับผลรวมของความต้านทานต่าง ๆ ดังนี้
R TOTAL = R S1 + R S2 + R S3 + R S4
ดังนั้น จึงเห็นได้ชัดว่า แม้ว่าวงจรทั้งสองแบบ คือ การวัดกระแสไฟฟ้าโดยตรงและโดยอ้อม จะสามารถอ่านค่ากระแสไฟฟ้าได้เท่ากัน แต่การวัดกระแสไฟฟ้าโดยอ้อมนั้นเป็นที่นิยมมากกว่า เนื่องจากช่วยป้องกันมิเตอร์ PMMC จากสภาวะกระแสเกินขณะที่กำลังหมุนสวิตช์เลือก
แอมมิเตอร์ หรือแอมแปร์มิเตอร์ เป็นเครื่องมือทางไฟฟ้าที่ใช้สำหรับวัดการไหลของกระแสไฟฟ้า (ในหน่วยแอมแปร์ (A), มิลลิแอมแปร์ (mA) หรือไมโครแอมแปร์ (μA)) ผ่านวงจรหรือส่วนประกอบเมื่อต่ออนุกรมกับส่วนประกอบนั้น
แอมมิเตอร์แบบอนาล็อกให้การอ่านค่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจรได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ และกลไกการทำงานของแกลวานอมิเตอร์แบบเดียวกันนี้สามารถใช้แสดงค่ากระแสไฟฟ้าที่หลากหลายได้โดยการเปลี่ยนค่าความต้านทานของตัวแบ่งกระแส
แอมมิเตอร์แบบมีจุดศูนย์กลางเป็นอุปกรณ์ที่มีจำหน่ายและมีประโยชน์ในการแสดงทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า กล่าวคือ สามารถระบุได้ทั้งกระแสไฟฟ้า "บวก" หรือกระแสไฟฟ้า "ลบ"
การเลือกค่าตัวต้านทานขนานจะขึ้นอยู่กับค่า FSD ของแกลวานอมิเตอร์ที่ใช้เป็นแอมมิเตอร์ รวมถึงระดับกระแสที่วัดด้วยว่ามาตราส่วนของมิเตอร์นั้นสอบเทียบเป็นแอมแปร์ มิลลิแอมแปร์ หรือไมโครแอมแปร์
แต่ถ้าเราต้องการวัดกระแสไฟฟ้าหลักสิบหรือหลักร้อยแอมแปร์ล่ะ หลักการก็ยังคงเหมือนเดิม เพียงแต่ตัวต้านทานแบบขนานที่ใช้วัดกระแสจะต้องมีค่าต่ำมาก โดยปกติจะมีค่าเป็นมิลลิโอห์ม (mΩ) หรือต่ำกว่านั้น
แอมมิเตอร์กระแสตรงกระแสสูงมีจำหน่ายพร้อมตัวต้านทานปรับเทียบแล้ว เพื่อให้ได้แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานที่จำเป็นสำหรับการจ่ายสัญญาณให้กับมิเตอร์ PMMC สามารถลดแรงดันตกคร่อมได้ต่ำถึง 10 mV หรือ 20 mV เพื่อแปลงกระแสไฟฟ้ากระแสตรงขนาดสูงให้สามารถวัดได้อย่างแม่นยำ ทำให้มิเตอร์แสดงค่าเต็มสเกลได้ถึงหลายร้อยแอมแปร์
แต่โปรดจำไว้ด้วยว่า เมื่อเลือกขนาดตัวต้านทานแบบขนานสำหรับแอมมิเตอร์ให้สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าปริมาณมากได้ ต้องคำนึงถึงกำลังไฟฟ้าที่สูญเสียไป (I²R) ด้วย มิฉะนั้นตัวต้านทานอาจร้อนเกินไปและเสียหายได้
การวัดกระแสไฟฟ้ากระแสสลับขนาดใหญ่จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงกระแสไฟฟ้า ดังที่เราได้กล่าวไว้ในบทเรียนเกี่ยวกับหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแล้ว แอมมิเตอร์แบบเต็มสเกล 5 A สามารถใช้ร่วมกับหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าที่เหมาะสม และปรับเทียบค่าให้สอดคล้องกับหม้อแปลงที่เลือกไว้ได้