การวัดกระแสไฟฟ้าเป็นหัวใจของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ทำหน้าที่ควบคุม และปกป้องระบบ โดยมีเทคโนโลยียอดนิยม 2 แบบคือ Shunt Resistor ที่แม่นยำ ราคาประหยัด เหมาะกับงานแรงดันต่ำ และ Hall Effect Sensor ที่ปลอดภัย เหมาะกับงานกระแสไฟแรงเช่น รถยนต์ไฟฟ้า หรือ โซลาร์เซลล์ การเลือกใช้ให้เหมาะจึงต้องคำนึงถึงวัตถุประสงค์การใช้งาน ความแม่นยำ ความปลอดภัย และค่าใช้จ่าย เพื่อให้ระบบทำงานได้ดีที่สุด

บทนำ

เคยคิดไหมว่าเบื้องหลังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชิ้น ไม่ว่าจะเป็น เครื่องชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า แผงโซลาร์เซลล์ มอเตอร์ในโรงงาน หรือ สมาร์ทโฮมสุดล้ำ สิ่งใดที่ทำให้รู้ว่าควรจ่ายไฟมากน้อยแค่ไหน คำตอบคือ การวัดกระแสไฟฟ้า การวัดกระแสไฟไม่ใช่แค่ขั้นตอนเล็ก ๆ ในวงจร แต่มันคือหัวใจสำคัญที่ทำให้ระบบทั้งหมดทำงานถูกต้องและปลอดภัย  ข้อมูลจากการวัดจะถูกนำไปใช้ควบคุมอุปกรณ์ป้องกันความร้อนเกิน ประเมิน ประสิทธิภาพ และตรวจสอบความปลอดภัยทั้งระบบ  กล่าวคือ ถ้าวัดกระแสผิด แม้แต่นิดเดียวก็อาจทำให้ระบบรวน เครื่องเสีย หรือคำนวณพลังงานคลาดเคลื่อนได้ 

ปัจจุบันเทคโนโลยีที่ใช้วัดกระแสไฟฟ้ามีหลายแบบ แต่สองตัวที่ถูกกล่าว ถึงมากที่สุดก็คือ Shunt Resistor และ Hall Effect Sensor ทั้งสองแบบต่างมีจุด แข็งและจุดอ่อนแตกต่างกัน  ดังนั้น ถ้าเราเข้าใจหลักการการทำงานของทั้งสองแบบ ว่าแต่ละตัวเหมาะกับงานแบบไหน  เราก็จะสามารถใชประโยชน์ และเลือกใช้ได้อย่าง เป็นมืออาชีพ 

รู้จักกับ Shunt Resistor และ Hall Effect Sensor

ปัจจุบันมีเทคนิควัดกระแสไฟฟ้าหลายแบบ โดยสองตัวที่ได้รับความนิยมและ ถูกพูดถึงมากที่สุดคือ Shunt Resistor และ Hall Effect Sensor มีความแตกต่าง กันดังนี้

• Shunt Resistor

วิธีดั้งเดิมที่เรียบง่าย ราคาถูก และแม่นยำ เหมาะกับงานที่ต้องการ ควบคุมกระแสในวงจรเล็ก ๆ ข้อเสียคือ ต้องเชื่อมต่อกับกระแสไฟโดยตรง ทำให้เกิดความร้อนและสูญเสียพลังงานเล็กน้อย

• Hall Effect Sensor

วิธีที่ทันสมัย วัดกระแสไฟแบบไร้สัมผัส ไม่ต้องเชื่อมต่อกับ กระแสไฟโดยตรง ด้วยการใช้สนามแม่เหล็กแทน ทำให้ปลอดภัย และเหมาะกับงานแรงดันสูง ข้อเสียคือ ราคาสูงตามความทันสมัย ของเทคโนโลยีที่ใช้

ดังนั้น การเลือกว่าจะใช้แบบใด ขึ้นอยู่กับลักษณะงานที่ทำ และ สิ่งที่ต้องการจากระบบเช่น ถ้าต้องการความแม่นยำสูงและต้นทุนต่ำ Shunt Resistor อาจเป็นคำตอบ แต่ถ้าเน้นความปลอดภัยและวัดได้โดยไม่แตะวงจร Hall Effect Sensor ก็เหมาะสมกว่า

หลักการทำงานของShunt Resistor

ลองนึกภาพว่า  Shunt Resistor เปรียบเหมือนสะพานขนาดเล็กเชื่อมต่อ กระแสไฟฟ้าให้ไหลผ่าน แล้วเราก็แอบวัดแรงดันตกคร่อมที่ปลายสะพานนั้นดู  ตามกฎของโอห์ม (Ohm’s Law) เมื่อรู้แรงดัน (V) และค่า Shunt Resistor (R) ก็สามารถคำนวณหาค่ากระแส (I) ได้จากสมการ I = V / R   ดังนั้นในวงจรจริง เราจะต่อ Shunt Resistor ไว้ในอนุกรมกับแหล่งจ่ายไฟ แล้วใช้วงจรวัดแรงดันเล็กๆ (เช่น ADC ในไมโครคอนโทรลเลอร์) มาวัดค่าตกคร่อมบน Shunt Resistor อีกที ข้อดีของวิธีนี้คือ ราคาถูก แม่นยำ และตอบสนองได้รวดเร็ว เพราะมันอิงจาก หลักฟิสิกส์พื้นฐานจึงไม่ซับซ้อน ส่วนข้อเสียคือ ต้องเชื่อมต่อสัมผัสกับกระแสจริง ทำให้เกิดความร้อนจากการสูญเสียพลังงาน นอกจากนี้ถ้าวัดในระบบแรงดันสูง ก็ต้องออกแบบวงจรแยกให้ปลอดภัยเป็นพิเศษ  กล่าวคือ Shunt Resistor เปรีบเสมือนเหมือนคนที่ยืนอยู่กลางสายไฟ คอยนับว่ามีกระแสผ่านไปมากแค่ไหน โดยที่ต้องคอยระวังไม่ให้โดนไฟดูดด้วย

หลักการทำงาน Hall Effect Sensor

Hall Effect Sensor ล้ำสมัยมากกว่า เพราะมันสามารถวัดกระแสไฟฟ้าได้ โดยที่ไม่ต้องแตะวงจรไฟฟ้าโดยตรง แม้ฟังดูเหมือนใช้เวทมนตร์ แต่แท้จริงแล้ว เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์  ด้วยหลักการที่ว่า “ เมื่อมีกระแสไฟไหลผ่านตัวนำ จะทำให้สนามแม่เหล็กเกิดขึ้นรอบๆ”  ซึ่ง Hall Effect Sensor นี้จะตรวจจับ สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจากกระแสแล้วแปลงออกมาเป็นแรงดันไฟฟ้า สัมพันธ์กับขนาดของกระแสที่ไหลจริงในสายไฟ  จึงไม่ต้องจับกระแสโดยตรง แค่รับกระแสแม่เหล็กที่เกิดขึ้นก็รู้ทันทีว่าไฟฟ้าแรงแค่ไหน  ข้อดี คือ ปลอดภัย เพราะไม่มีการสัมผัสไฟฟ้าโดยตรง  ใช้ได้ดีในระบบแรงดันสูง หรือ กรณีที่ต้องแยกวงจรควบคุมออกจากวงจรกำลัง ข้อเสียคือ ราคาสูงและ ความแม่นยำอาจลดลง หากถูกสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กจากอุปกรณ์ใกล้ตัว

การเปรียบเทียบเชิงลึกระหว่าง Shunt และ Hall Effect

โลกของการวัดกระแสไฟฟ้า ความแม่นยำ ความปลอดภัย และราคา คือเรื่องหลักที่ผู้ใช้ต้องชั่งน้ำหนักให้ดี เพราะบางครั้งสิ่งที่แม่นยำที่สุด อาจไม่ใช่ สิ่งที่ปลอดภัยที่สุด หรือสิ่งที่ปลอดภัยที่สุดก็อาจไม่ใช่ทางเลือกที่คุ้มค่า ที่สุดเสมอไป  มาดูกันว่าระหว่าง Shunt Resistorกับ Hall Effect Sensor เด่นในด้านใดกันบ้าง  

• ความแม่นยำ 

Shunt Resistor ขึ้นชื่อเรื่องความแม่นยำสูงเพราะใช้วิธีการวัดแรงดัน ตกคร่อมตามกฎของโอห์ม (V = IR) ทำให้ค่าที่ได้เสถียรและคาดเคลื่อนน้อย โดยเฉพาะในงาน ที่กระแสไฟฟ้าไม่สูงเกินไปแต่ถ้าใช้ในระบบที่ต้องการ กระแสไฟฟ้าสูง ความร้อนที่เกิดขึ้นอาจจะทำให้ค่าความต้านทาน เปลี่ยนส่งผลให้ค่าที่วัดคลาดเคลื่อนได้บ้าง  ในขณะที่ Hall Effect Sensor สามารถวัดได้แม่นยำดีเช่นกัน แต่ความแม่นยำจะขึ้นกับคุณภาพเซนเซอร์ และการป้องกันสัญญาณรบกวน ทางแม่เหล็กจากภายนอก ถ้ามีสนามแม่เหล็ก อื่นอยู่ใกล้ ค่าที่วัดจะเพี้ยนได้ กล่าวคือ ถ้าอยากวัดให้แม่นยำต้องวางตำแหน่ง และป้องกันสัญญาณ รบกวนให้ดี

• ด้านความปลอดภัย

 Shunt Resistor ต้องเชื่อมต่อโดยตรงกับกระแสไฟในวงจร ซึ่งหมายความว่า วงจรวัดต้องอยู่ในจุดเดียวกับแรงดันไฟนั้นๆ  ถ้าออกแบบไม่ดีอาจเกิดความ เสียหายต่ออุปกรณ์หรือไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ จึงต้องใช้วงจรแยก (isolation) เพิ่ม ส่วน Hall Effect Sensor วัดได้โดยไม่ต้องแตะวงจรไฟฟ้า ด้วยการตรวจจับสนามแม่เหล็กแทนจึงปลอดภัยกว่า ดังนั้นในระบบที่ใช้ แรงดันสูง เช่น 400V ในรถ EV ก็สามารถวัดได้โดยไม่ต้องเสี่ยงสัมผัส กับไฟแรง

• ด้านราคา 

Shunt Resistor มีราคาถูกไม่ถึงหลักสิบบาทในงานทั่วไป เหมาะกับโปรเจกต์ ที่ต้องใช้หลายจุดหรือมีงบจำกัด และถึงจะต้องเพิ่มวงจรแยก (isolation circuit) ในบางกรณีก็ยังถือว่าคุ้มค่าและประหยัด ส่วน Hall Effect Sensor มีราคาสูงกว่า เพราะมีทั้งวงจรตรวจจับสนามแม่เหล็ก และวงจรแปลง สัญญาณในตัว คุ้มค่าในกรณีที่ต้องการความปลอดภัยสูง หรือ การวัดโดยไม่แตะระบบไฟฟ้า  สรุปคือ ถ้าเน้นประหยัดงบ Shunt Resistor เหมาะกว่า แต่ถ้าระบบต้องการความปลอดภัยและความสะดวกในการติดตั้ง Hall Effect Sensor จะคุ้มค่ากว่าในระยะยาว

กรณีศึกษาในการใช้งานจริง

การวัดกระแสไฟฟ้าไม่ใช่เรื่องไกลตัว เพราะกระแสไฟฟ้าอยู่ใน ทุกสิ่งรอบตัวเรา ตั้งแต่รถยนต์ไฟฟ้าไปจนถึงเครื่องใช้ในบ้าน ยกตัวอย่างเช่น ในเครื่องชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า (EV Charger) วิศวกรมักเลือกใช้ Hall Effect Sensor เพราะมันวัดกระแสได้โดยไม่ต้องแตะวงจรจริง ปลอดภัยกว่า แถมยัง ช่วยลดความร้อนและวัดได้แม่น แม้กระแสเปลี่ยนเร็ว เหมาะกับระบบที่ต้องการ ความเสถียรอย่างการชาร์จเร็ว แต่ถ้าเป็นเครื่องใช้ไฟฟ้าทั่วไปในบ้านเช่น หุ่นยนต์ดูดฝุ่น หรือ เครื่องชาร์จพกพามักใช้ Shunt Resistor เพราะราคาถูกกว่า ขนาดเล็ก ให้ความแม่นยำเพียงพอสำหรับงานแรงดันต่ำ ในอีกมุมหนึ่ง ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ก็มักใช้ Hall Effect Sensor เพื่อตรวจสอบกระแส จากแผงโซลาร์ โดยไม่ต้องเสี่ยงแตะกระแสตรงแรงสูง

ดังนั้นถ้าเน้นปลอดภัยและแรงดันสูงเลือก Hall Effect แต่ถ้าเน้นความแม่นยำ คุ้มค่า Shunt ก็ยังเป็นพระเอกในใจวิศวกรอยู่ดี

สรุป

สุดท้ายแล้ว การเลือกใช้ Shunt Resistor หรือ Hall Effect Sensor  ไม่มีคำว่าถูกหรือผิด มีแค่เหมาะหรือไม่เหมาะกับงานเท่านั้น ถ้าคุณต้องการ ความแม่นยำสูง ใช้งานกับแรงดันต่ำ และอยากประหยัดต้นทุน Shunt คือคำตอบที่เรียบง่ายและคุ้มค่า แต่ถ้างานของคุณเกี่ยวข้องกับไฟแรง ความปลอดภัยต้องมาเป็นอันดับหนึ่ง หรือระบบต้องตอบสนองไว Hall Effect คือทางเลือกที่มั่นใจกว่า  ทั้งสองเทคโนโลยีต่างมีเสน่ห์ในแบบของตัวเอง เหมือนเครื่องมือคนละชนิดที่ช่วยให้วงจรทำงานได้อย่างสมบูรณ์