แนะนำการใช้งานไอซี INA169 Current Shunt Monitor#

---

▷ INA169#

ไอซี INA169 ของบริษัท Texas Instruments (TI) เป็นไอซีประเภท Current-Sense Amplifier (CSA) หรือเรียกว่า Current Shunt Monitor ใช้สำหรับการวัดกระแสที่ไหลในวงจร เช่น โหลดไฟฟ้า

การต่อใช้งานไอซี INA169 จะเป็นตามรูปแบบที่เรียกว่า High-Side Current Sensing ตามรูปตัวอย่างข้างล่าง กระแสจะไหลจ่ายแหล่งจ่ายไปผ่านตัวต้านทานตรวจจับกระแส $R_S$ (เรียกว่า Shunt Resistor หรือ Current-Sense Resistor) ผ่านโหลดไฟฟ้าไปยังกราวด์ของวงจร

รูป: INA169 และตัวถังของไอซี

เนื่องจากเป็นการวัดกระแสแบบ High-Side ไอซี INA169 รองรับแรงดันที่ต่อเข้าที่ขา $V_{IN+}$ และ $V_{IN-}$ (ได้สูงสุดถึง 60V) และสูงกว่าแรงดันไฟเลี้ยงสำหรับการทำงานของไอซี (เช่น +3.3V หรือ +5V เป็นต้น) แต่แรงดันผลต่างระหว่างขา $V_{IN+}$ กับ $V_{IN-}$ จะต้องไม่เกิน 500mV

สัญญาณเอาต์พุตจาก INA169 ที่ขา OUT อยู่ในรูปของกระแสที่ขึ้นกับแรงดันตกคร่อมที่ $R_S$ และจะถูกแปลงเป็นแรงดันโดยตัวต้านทานโหลด $R_L$ ที่ต่อที่ขาเอาต์พุต

คุณสมบัติของไอซี INA169 (TI)

• Current Sensing Configuration:
  • High-side: วัดกระแสฝั่งแรงดันไฟเลี้ยง
  • Uni-directional: วัดกระแสไหลได้เพียงทิศทาง (กระแสไหลผ่านโหลดไปยังกราวด์ของวงจร)
• Current Output:
  • ขา OUT ให้กระแสไฟฟ้าเป็นเอาต์พุต และนำไปต่อกับตัวต้านทานภายนอก $R_L$ เพื่อแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้า
  • ค่าของตัวต้านทาน $R_L$ (ใช้ค่าไม่เกิน 100kΩ) ใช้ในการกำหนดอัตราขยาย
• แรงดันเอาต์พุตเมื่อต่อกับตัวต้านทานภายนอก $R_L$:
  • $V_{OUT} = (I_S \times R_S \times 1k\Omega) \times R_L$
  • $R_S$ คือ ตัวต้านทานตรวจจับกระแส (Current Shunt Resistor)
  • $I_S$ คือ กระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทาน $R_S$ หรือ กระแสของโหลดที่ต้องการวัด
  • แรงดันเอาต์พุตที่จะต้องไม่เกิน $V_{IN-}-0.5V$ และ $V_+ -0.7V-V_{SENSE}$
• Supply Voltage ($V_+$):
  • ช่วงแรงดันไฟเลี้ยง +2.7V ถึง +60V
  • แรงดันไฟเลี้ยงต่อเข้าที่ขา V+ ของไอซี
• Input Common-Mode Voltage ($V_{CM}$):
  • ช่วงแรงดันไฟเลี้ยงโหมดร่วม +2.7V ถึง +60V
• Supply Current / Quiescent Current ($I_Q$):
  • กระแสไฟฟ้าที่ใช้ 60μA (typ), 125µA (max)
• Input Offset Voltage ($V_{OS}$):
  • แรงดันอินพุต-ออฟเซต ±200μV (typ), ±1mV (max)
• Sense Voltage ($V_{SENSE}$):
  • ช่วงผลต่างแรงดันอินพุตสูงสุด ($V_{SENSE}$): 100mV (typ), 500mV (max)
  • $V_{SENSE} = (V_{IN+} - V_{IN-})$
• Gain Accuracy:
  • ความแม่นของอัตราขยาย ±0.5% (typ)
• Transconductance:
  • อัตราขยาย ($g_m$): 1mA/V (typ)
  • กระแสเอาต์พุต $I_{OUT} = g_m \cdot (V_{IN+} - V_{IN-})$
• Common-Mode Rejection Ratio ($CMRR$):
  • อัตราส่วนการปฏิเสธโหมดร่วม 115 dB (typ)
• Bandwidth ($BW$):
  • ค่า Gain จะลดลง เมื่อความถี่ของสัญญาณสูงขึ้น
  • ความถี่ $f_{-3dB}$: 440kHz (typ) เมื่อใช้ $R_L$ = 10kΩ
• IC Package: 5-Pin SOT-23

การนำสัญญาณแรงดันเอาต์พุตจาก INA169 ไปต่อกับไอซี ADC เพื่อแปลงเป็นข้อมูลดิจิทัล มีคำแนะนำต่อไปนี้

• เนื่องจากเอาต์พุตของ INA169 ต่อกับตัวต้านทาน $R_L$ เช่น 10kΩ และเมื่อนำไปต่อกับขาอินพุตของ ADC ที่มีค่าอิมพีแดนซ์ของอินพุตไม่สูงมาก เช่น น้อยกว่า 100kΩ ซึ่งเป็นการต่อขนานกับ $R_L$ จึงส่งผลต่ออัตราขยายที่ได้
• ดังนั้นควรใช้ไอซีออปแอมป์เป็นวงจร Voltage Follower (หรือ Voltage Buffer) เพื่อแยกโหลด ก่อนนำสัญญาณไปต่อกับอินพุตของ ADC (Analog-to-Digital Converter) เพื่อแปลงเป็นข้อมูลดิจิทัล

รูป: ตัวอย่างการต่อใช้งาน INA169 กับวงจร Voltage Buffer และ ADC (Image Source: TI)

รูป: Output Error vs. VIN สำหรับไอซี INA169

จากรูปกราฟสำหรับ Output Error ของไอซี INA169 ตามที่ระบุไว้ในเอกสาร Datasheet ถ้าแรงดันผลต่าง $V_{SHUNT} = (V_{IN+} - V_{IN-})$ ลดต่ำกว่า 25mV เปอร์เซ็นตฺ์ความคลาดเคลื่อนของแรงดันเอาต์พุตจะเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ถ้าใช้ $R_{SHUNT} = 0.1\Omega$ กระแส $I_{SHUNT}$ หรือกระแสโหลด ก็ไม่ควรจะน้อยกว่า 250mA ซึ่งคำนวณได้จาก $V_{SHUNT} / R_{SHUNT} = 25mV/ 0.1\Omega$

 

---

▷ ตัวอย่างโมดูล INA169#

เนื่องจากไอซี INA169 มีขนาดเล็ก และเพื่อความสะดวกในการต่อวงจรใช้งาน จึงได้เลือกใช้โมดูลประเภท Breakout Board เช่น

• Sparkfun INA169 Breakout
• Adafruit INA169 Analog DC Current Sensor Breakout

รูป: ตัวอย่างโมดูล INA169

โมดูล GY-169 เป็นแผงวงจรราคาถูกจากประเทศจีน ที่มีไอซี INA169 และมีวงจรในลักษณะเดียวกับโมดูล Adafruit INA169 Breakout โมดูลนี้ มีตัวต้านทาน $R_S$ = R100 (0.1Ω, +/-1%, 2W) และใช้ตัวต้านทาน $R_L$ = 103 (10kΩ)

 

---

▷ การเลือกใช้ค่าตัวต้านทาน R_S และ R_L#

การเลือกใช้ค่าตัวต้านทาน $R_S$ และ $R_L$ ส่งผลต่อการขยายสัญญาณ และแรงดันเอาต์พุตที่ได้ ตามสมการต่อไปนี้

$$\begin{align} V_{OUT} &= I_S \times \frac{ R_S \cdot R_L }{1k\Omega} = I_S \times G \\ G &= \frac{ R_S \cdot R_L }{ 1k\Omega} \;\; \mbox{ มีหน่วยเป็น V/A} \\ I_S &= \frac{V_{OUT}}{G} \\ I_S(max) &\leq \frac{V_{SENSE}(max)}{R_S} \\ V_{SENSE} &= V_{IN+} - V_{IN-} = I_S \times R_S \\ V_{SENSE}(max) &= 500mV \\ \end{align}$$

 

ถ้ากำหนดให้ $V_{SENSE}$ มีแรงดันสูงสุด ไม่ให้เกิน 250mV ลองมาดูตัวอย่างค่าพารามิเตอร์ทางไฟฟ้า ในการใช้งานไอซี INA169

$R_S$	$R_L$	$G\,[V/A]$	$I_S(max)$	$V_{OUT}$
1.0Ω	10kΩ	10	0.25A	2.5V
0.1Ω	10kΩ	1	2.5A	2.5V
0.1Ω	20kΩ	2	2.5A	5.0V

ในกรณีที่ใช้โมดูล GY-169 ซึ่งใช้ $R_S=0.1\Omega$ และ $R_L=10k\Omega$ ดังนั้นกระแสโหลดไม่ควรเกิน 2.5A แรงดันเอาต์พุตสูงสุด 2.5V

กำลังไฟฟ้าสูญเสียที่เกิดขึ้นกับ $R_S$ คำนวณได้ตามสูตรต่อไปนี้

$$\begin{align} P_{loss} &= I^2 \cdot R_S = (2.5A)^2 \cdot (0.1\Omega) = 0.625W < 2W \\ \end{align}$$

 

---

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้นำเสนอแนวทางการใช้งานไอซี INA169 ซึ่งสามารถนำไปใช้วัดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านโหลดในทิศทางเดียว และปริมาณกระแสที่ไหลจะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นจึงมีเอาต์พุตเป็นสัญญาณแอนะล็อก สามารถนำไปใช้กับออสซิลโลสโคป เพื่อวัดสัญญาณ หรือนำไปต่อกับวงจร ADC ของไมโครคอนโทรลเลอร์ เพื่อแปลงเป็นข้อมูลดิจิทัล

บทความที่เกี่ยวข้อง

• "การเลือกใช้ไอซีประเภท Current-Sense Amplifier (CSA) สำหรับการวัดกระแสในวงจรไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์"
• "แนะนำการใช้งานโมดูล MAX4080 Current Sensor"

 

---

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2025-05-12 | Last Updated: 2025-05-14