แนะนำการใช้งานโมดูล MAX4080 Current Sensor#

Keywords: Current Sense Amplifier IC, Current-to-Voltage Converter, High-Side Current Sensing

---

▷ คุณสมบัติหลักของไอซี MAX4080 / MAX4081#

• MAX4080 / MAX4081 (Datasheet) เป็นไอซีวัดกระแส DC และให้เอาต์พุตเป็นแรงดันไฟฟ้า (สัญญาณแอนะล็อก) จัดอยู่ในประเภทวงจร Current-Sense Amplifier
• ผลิตโดยบริษัท Maxim Integrated / Analog Devices Inc. (ADI)
• ใช้วัดปริมาณกระแสไฟฟ้า DC ที่ไหลผ่านตัวต้านทานสำหรับวัดกระแส (เรียกว่า Sense Resistor $R_{SENSE}$ หรือ Shunt Resistor $R_{SHUNT}$)
• ใช้กับตำแหน่งการวัดกระแสของโหลดแบบ High-Side Measurement
• แรงดันเอาต์พุตที่ได้คือ $V_{OUT}$ แปรผันตรงกับแรงดัน $V_{SENSE}$
  • $V_{SENSE}$ (Sense Voltage) คือ แรงดันตกคร่อมที่ตัวต้านทาน $R_{SHUNT}$ เมื่อมีกระแสไหล
  • อัตราขขยาย หมายถึง อัตราส่วนของแรงดันเอาต์พุต $V_{OUT}$ ต่อแรงดัน $V_{SENSE}$
• แบ่งเป็น 2 รุ่น ได้แก่ MAX4080 และ MAX4081:
  • MAX4080: วัดกระแสที่ไหลได้ในทิศทางเดียว (Unidirectional) และให้แรงดันเอาต์พุตเป็นบวกเท่านั้น
  • MAX4081: วัดกระแสที่ไหลได้สองทิศทาง (Bidirectional) มีขาอินพุตสำหรับแรงดันอ้างอิง (Reference Input A & B) และให้แรงดันเอาต์พุตเป็นบวกและลบได้ (สามารถกำหนด DC Offset ให้แรงดันเอาต์พุตได้)
• มีตัวเลือกจำแนกตามอัตราขยายคงที่ (Fixed Gain: $A_v$) และช่วงแรงดันอินพุต (Full-Scale Sense Voltage Range):
  • MAX408xF: $A_v$ = 5V / V และ $V_{SENSE}(max)$ = 500mV
  • MAX408xT: $A_v$ = 20V / V และ $V_{SENSE}(max)$ = 250mV
  • MAX408xS: $A_v$ = 60V / V และ $V_{SENSE}(max)$ = 100mV
• ช่วงแรงดันไฟเลี้ยง (Input Voltage Supply): 4.5V ~ 76V
• ความแม่นเต็มสเกล (Full-Scale Accuracy): ±0.1% (typical)
• แบนด์วิดท์ (Bandwidth) สำหรับสัญญาณแอนะล็อก-เอาต์พุต: 250kHz (typical)
• แรงดันออฟเซตอินพุต (Input Offset Voltage): 100μV (typical)
  • แรงดันเอาต์พุตไม่เป็นศูนย์เกิดขึ้นได้ แม้ว่าแรงดันผลต่างแรงดันอินพุตเป็นศูนย์

---

▷ ขาไอซี MAX4080 / MAX4081 (8 ขา)#

• Pin 1: RS+ ขาอินพุตกระแส (ฝั่งแรงดันสูงของตัวต้านทาน $R_{SHUNT}$)
• Pin 2: VCC แรงดันไฟเลี้ยง
• Pin 3: NC ไม่ได้ใช้งาน (Not Connected)
• Pin 4: GND กราวด์ระบบ
• Pin 5: OUT ขาเอาต์พุตแรงดันแอนะล็อก
• Pin 6: REF1A ขาแรงดันอ้างอิง (เฉพาะ MAX4081)
• Pin 7: REF1B ขาแรงดันอ้างอิง (เฉพาะ MAX4081)
• Pin 8: RS- ขาอินพุตกระแส (ฝั่งแรงดันต่ำของตัวต้านทาน $R_{SHUNT}$)

การต่อใช้งานขา REF1A / REF1B (เฉพาะ MAX4081)

• โดยทั่วไป ขา REF1A และ REF1B ของ MAX4081 จะต่อเข้าด้วยกันกับแรงดันไฟฟ้าคงที่ภายนอกเหมือนกัน และแรงดันอ้างอิงที่ได้สำหรับเอาต์พุตจะเป็นครึ่งหนึ่ง เช่น ถ้าต่อขาทั้งสองกับ +5V จะได้แรงดันอ้างอิง +2.5V
• แรงดันอ้างอิงสำหรับเอาต์พุตใช้เป็นค่ากลาง (Mid-point Value) ของสัญญาณเอาต์พุต $V_{OUT}$ ทำให้สามารถวัดกระแสได้ทั้งสองทิศทาง
  • แรงดันเอาต์พุต $V_{OUT}$ จะได้เท่ากับแรงดันอ้างอิง ถ้ากระแสที่ไหลเท่ากับศูนย์
  • ถ้ากระแสไม่เป็นศูนย์ และไหลจากขา RS+ ไปยัง RS- แรงดันเอาต์พุตจะเพิ่มขึ้นจากแรงดันอ้างอิง
  • ถ้ากระแสไหลในทิศทางจากขา RS- ไปยัง RS+ แรงดันเอาต์พุตจะลดลงจากแรงดันอ้างอิง
• เหมาะสำหรับการนำไปต่อกับขาสัญญาณอินพุตของ ADC ที่ต้องการแรงดันอินพุตในช่วงที่เป็นบวกเท่านั้น เช่น 0 ~ 5V ก็ใช้แรงดันอ้างอิง 2.5V
• แต่ถ้าต่อเข้ากับ GND (แรงดันอ้างอิงเป็น 0) เช่น ถ้าไม่ต้องการวัดกระแสย้อนกลับ จะให้ผลเหมือนกับการทำงานของไอซี MAX4080 ซึ่งไม่มีขา REF1A และ REF1B

 

บล็อกไดอะแกรมของไอซี MAX408x แสดงให้เป็นองค์ประกอบของวงจรที่สำคัญ และความแตกต่างระหว่าง MAX4080 และ MAX4081

รูป: ขาของไอซี MAX4080/4081 และบล็อกไดอะแกรมของวงจรภายใน

รูป: ตัวอย่างการต่อวงจรใช้งานสำหรับไอซี MAX4080

การวัดกระแสได้ทั้งสองทิศทาง: วงจรภายในของ MAX4081 นั้นแตกต่างจากกรณีของ MAX4080 เนื่องจากรองรับการไหลของกระแสได้ทั้งสองทิศทาง และมีการเพิ่มแรงดันอ้างอิงสำหรับแรงดันเอาต์พุต

หลักการทำงานของวงจรภายใน MAX4080 โดยสรุปคร่าว ๆ มีดังนี้

• ไอซี MAX4080 มีวงจรขยายสัญญาณผลต่างแรงดันอินพุต (Differential Amplifier) และเป็นองค์ประกอบหลักของไอซีนี้
• กระแสที่ไหลไปยังโหลด $I_{LOAD}$ ผ่านตัวต้านทาน $R_{SHUNT}$ ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อม $V_{SENSE}$ ระหว่างขา RS+ และ RS- ของไอซี
• วงจรขยายสัญญาณผลต่างแรงดันอินพุต A1 มีขาอินพุต $IN_+$ และ $IN_-$ เป็นขา Non-Inverting และ Inverting Input ตามลำดับ เหมือนวงจรออปแอมป์ (Op-Amp) โดยทั่วไป และมีตัวต้านทานอนุกรม $R_{G1}$ และ $R_{G2}$ ต่ออยู่ด้วย ที่ขาสัญญาณอินพุตแต่ละข้าง
• วงจร A1 มีอิมพีแดนซ์สูงมาก (High Input Impedance) ทำให้กระแสที่ไหลเข้าขา $IN_+$ และ $IN_-$ น้อยมาก และให้ถือว่า Input Bias Current ของ A1 เป็นศูนย์
• เมื่อแรงดัน $V_{SENSE}$ มากกว่า 0V จะทำให้มีกระแสไหลผ่านตัวต้านทาน $R_{G1}$ และไหลออกไปยังทรานซิสเตอร์ Q1 (ชนิด NPN) เข้าที่ขาคอลเลกเตอร์ ดังนั้นจึงถือว่ามีกระแสคอลเลกเตอร์ $I_C$ (ถ้า Q1 ทำงานในโหมดแอคทีฟ)
• เอาต์พุตของ A1 จะมีการปรับระดับแรงดัน และควบคุมแรงดันที่ขาเบสของ Q1 เพื่อให้ทำงานในโหมดแอคทีฟ
• เนื่องจากกระแสเบส $I_B$ ของ Q1 มีปริมาณน้อยมาก ดังนั้นกระแสที่ไหลออกจากขาอิมิตเตอร์ $I_E$ ของทรานซิสเตอร์ Q1 จะได้ประมาณ $I_E \approx I_C$ และจะนำไปใช้กับวงจรคัดลอกกระแส (Current Mirror)
• วงจร Current Mirror จะสร้างกระแส IA2 ตามปริมาณกระแสที่ไหลผ่านทรานซิสเตอร์ Q1 (หรือมีการขยายกระแสด้วยก็ได้) และไหลผ่านตัวต้านทานที่ต่อแบบย้อนกลับสำหรับออปแอมป์ A2
• วงจร A2 และ A3 ทำหน้าที่ขยายแรงดันและเป็นบัฟเฟอร์ตามลำดับ (มีอัตราขยายคงที่) เพื่อสร้างแรงดันเอาต์พุต

แนวทางการวิเคราะห์วงจรเพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่างกระแส $I_C$ และ $I_{LOAD}$

$$\begin{align} V_{SENSE} &= I_{LOAD} \cdot R_{SHUNT} = V_{RS+} - V_{RS-} \\ \frac{V_{RS+} - V_+}{R_{G1}} &= I(R_{G1}) = I_C \\ \frac{V_{RS-} - V_-}{R_{G2}} &= I(R_{G2}) \rightarrow 0 \;\Rightarrow V_{RS-} = V_-\\ R_{G1} &= R_{G2} = R_G \\ \end{align}$$

โดยมีสัญลักษณ์

• $I(R_{G1})$ และ $I(R_{G2})$ : กระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทาน $R_{G1}$ และ $R_{G2}$ ตามลำดับ
• $V_{RS+}$ และ $V_{RS-}$ : แรงดันที่ขา RS+ และขา RS- ของ MAX408x ตามลำดับ
• $V_+$ และ $V_-$ : แรงดันที่ขาอินพุตทั้งสอง ($IN_+$ และ $IN_-$) ของวงจรขยายผลต่างอินพตุ A1

ถ้าให้ $V_+ \approx V_-$ (มีค่าใกล้เคียงกันมาก ๆ และประมาณค่าให้เท่ากัน) ก็สามารถเขียนสมการใหม่ได้ดังนี้

$$\begin{align} \frac{V_{RS+} - V_{RS-}}{R_G} &= \frac{V_{SENSE}}{R_G} = I_C \\ I_C &= \frac{R_{SHUNT}}{R_G} \cdot I_{LOAD} \\ \end{align}$$

เนื่องจาก $R_{SHUNT}$ มีค่าความต้านทานต่ำกว่า $R_G$ หลายเท่า และ $I_C \ll I_{LOAD}$ (น้อยกว่าหลายเท่า) ดังนั้นในการสร้างสัญญาณเอาต์พุตเป็นแรงดันไฟฟ้าโดย MAX408x จะต้องมีการแปลงกระแสให้เป็นแรงดันไฟฟ้า (Current-to-Voltage Conversion) และมีการขยายสัญญาณด้วย (Signal Amplification)

 

จากตารางการใช้งานไอซี MAX4080 ถ้าเลือกใช้ไอซีที่มีอัตราขยาย 60 มีช่วงแรงดัน $V_{SENSE}$ ไม่เกิน 100mV และใช้ตัวต้านทาน 100 mΩ หากมีกระแสไหลสูงสุด 1000mA หรือ (1A) จะได้แรงดัน $V_{SENSE}$ เท่ากับ 0.1V และเมื่อคูณกับอัตราขยาย จะได้แรงดันเอาต์พุต 0.1V x 60 = 6V ในกรณีนี้ จะต้องเลือกใช้แรงดันไฟเลี้ยง VCC ให้สูงกว่า 6V

แต่ถ้าใช้แรงดันไฟเลี้ยง VCC เท่ากับ +5V หรือ +3.3V กระแสโหลดสูงสุด ก็จะต้องลดลง เพื่อให้แรงดันเอาต์พุตไม่เกิน VCC และให้เหมาะสมกับการนำไปใช้กับวงจร ADC เป็นต้น

รูป: ตารางการใช้งาน MAX4080

 

---

▷ โมดูล MAX4080#

การใช้ไอซี MAX4080 อาจจะไม่สะดวกในการต่อวงจรใช้งาน เช่น การต่อวงจรทดลองบนเบรดบอร์ด และดังนั้นก็แนะนำให้ใช้โมดูล MAX4080 Breakout เช่น โมดูล CJMCU-408 จากประเทศจีน

• ใช้ไอซี MAX4080SASA
• ใช้ตัวต้านทาน R_SENSE: R100 หรือ 0.1Ω (±1%, 2W, 2512)
• การคำนวณหาแรงดันเอาต์พุต:

$$\begin{align} V_{out}\; [mV] &= (I\; [mA] \times 0.1\; [\Omega]) \times 60\,V/V \\ &= 6 \times I\,[mA] \\ I\,[mA] &= \frac{1}{6} \times V_{out} = 0.1667 \times V_{out}\,[mV] \\ \end{align}$$

รูป: ตัวอย่างโมดูล MAX4080 Breakout

---

▷ การทดลองวัดกระแสโดยใช้ตัวต้านทานเป็นโหลด#

ถัดไปเป็นตัวอย่างการทดลองใช้งานโมดูล MAX4080 โดยใช้ตัวต้านทาน 100Ω เป็นโหลดไฟฟ้า และมีการต่อวงจรทดลองดังนี้

• วัดค่าความต้านทานที่ใช้เป็นโหลดด้วยมัลติมิเตอร์ได้ 99.3Ω
• ใช้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าคงที่ VIN วัดได้ 5.2V และต่อผ่านไดโอด Schottky ไปยังขา VCC ของโมดูล MAX4080 และขา GND ของโมดูล MAX4080 กับ GND ของแหล่งจ่าย
• ต่อขา RS+ เข้ากับ VCC ของ MAX4080
• ต่อขาด้านหนึ่งของตัวต้านทานกับขา RS- ของ MAX4080 และขาอีกด้านหนึ่งไปยัง GND ของแหล่งจ่าย
• วัดแรงดันที่ขา RS- หรือ แรงดันตกคร่อมที่ตัวต้านทานได้ 4.703V ดังนั้นจึงคำนวณปริมาณกระแสที่ไหลได้เท่ากับ 4.703V / 99.3 Ohm = 47.36mA
• วัดแรงดัน $V_{SENSE}$ ได้เท่ากับ 4.61mV เมื่อนำไปคูณกับค่า Gain = 60 จะได้ 4.61mV x 60 = 276.6mV และวัดแรงดันเอาต์พุตที่ขา VOUT ด้วยมัลติมิเตอร์ ได้เท่ากับ 276.6mV

รูป: การต่อวงจรทดลอง

โดยทั่วไปแล้ว หากกระแสไฟฟามีการเปลี่ยนแปลงปริมาณค่อนข้างช้า ก็สามารถใช้มัลติมิเตอร์วัดแรงดันเอาต์พุตได้ แต่ถ้าปริมาณกระแสเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในเชิงเวลา ก็จะต้องใช้วิธี เช่น การต่อเข้ากับ ADC (Analog-to-Digital Converter อ่านและบันทึกค่าด้วย MCU หรือ จะใช้ออสซิลโลสโคปดูการเปลี่ยนแปลงเชิงเวลาของสัญญาณเอาต์พุต เป็นต้น

รูป: การวัดแรงดันเอาต์พุตด้วยออสซิลโลสโคป (วัดค่าเฉลี่ยของสัญญาณเอาต์พุตได้ 279mV)

รูป: ตัวอย่างการวัดสัญญาณเอาต์พุตโดยใช้ MAX4080 ในกรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงของกระแสโหลดอย่างรวดเร็ว

 

---

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้ได้นำเสนอข้อมูลและการใช้งานของไอซีและโมดูล MAX4080/4081 พร้อมตัวอย่างการทดลองวัดปริมาณกระแสไฟฟ้าโดยใช้ตัวต้านทานเป็นโหลดไฟฟ้า โมดูลนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการวิเคราะห์การใช้กระแสไฟฟ้า โดยใช้การวัดกระแสแบบ High-Side (การวัดฝั่งแรงดันไฟเลี้ยง) รวมถึงการตรวจสอบการใช้พลังงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ได้ โดยให้เอาต์พุตเป็นสัญญาณแอนะล็อกที่แปรผันตามกระแสที่ไหลผ่านโหลด

บทความที่เกี่ยวข้อง

• "การทดลองวัดกระแสโดยใช้โมดูล Current Sense Amplifier (MAX4080S)"
• "การเลือกใช้ไอซีประเภท Current-Sense Amplifier (CSA) สำหรับการวัดกระแสในวงจรไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์"
• "แนะนำการใช้งานโมดูล INA169 Current Shunt Monitor"

 

---

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

Created: 2025-04-30 | Last Updated: 2025-05-17