บทเรียน 3.2 — วัดกระแสอย่างปลอดภัย

เป้าหมาย

เมื่อจบบทเรียนนี้ คุณจะ

1. วัดกระแสของหลอด LED หนึ่งดวงโดยต่อมัลติมิเตอร์อนุกรมและใช้ช่องเสียบที่ถูกต้อง
2. อธิบายว่าทำไมการต่อมัลติมิเตอร์ในโหมดวัดกระแสคร่อมแหล่งจ่ายจึงอันตราย
3. เทียบกระแสที่วัดได้กับค่าที่คำนวณจากกฎของโอห์ม และอธิบายความต่าง

ก่อนเริ่ม

• ผ่านบทเรียน วัดแรงดันและความต่อเนื่อง
• แล็บ: LED สีแดง, ตัวต้านทาน 270 Ω (หรือ 330 Ω) และ 1 kΩ, เบรดบอร์ด, มัลติมิเตอร์ที่มีช่อง mA, บอร์ด

ความปลอดภัย สิ่งที่ทำให้มัลติมิเตอร์เสียบ่อยที่สุดคือ ลืมย้ายสายแดงกลับจากช่อง mA/A แล้วเอาไปวัดแรงดัน — วัดกระแสเสร็จ ย้ายสายแดงกลับช่อง VΩ ทันที

ดูของจริงก่อน

หันมิเตอร์ด้านหลังหรือเปิดฝาช่องแบตเตอรี่ ดูว่าฟิวส์มีกี่ตัวและเขียนค่าอะไรไว้ — ช่อง mA มักมีฟิวส์เล็กหลายร้อย mA ช่อง 10A มักมีฟิวส์ใหญ่แยก

ฟิวส์เหล่านี้มีไว้เพื่อสถานการณ์เดียว: เมื่อคนต่อมิเตอร์ในโหมดกระแสผิดวิธี ทำไมโหมดนี้จึงอันตรายกว่าโหมดอื่น — คำตอบอยู่ในหัวข้อที่ 2

แนวคิด (1) — วัดกระแสต้องต่ออนุกรม

แนวคิด (2) — ขั้นตอนที่ปลอดภัย และทางเลือกที่ดีกว่า

1. ปิดไฟ
2. ย้ายสายแดงไปช่อง mA (หรือ 10A ถ้ากระแสมาก) หมุนปุ่มไปโหมดกระแสไฟตรง
3. ตัดวงจรหนึ่งจุด ต่อมิเตอร์เข้าไปแทน (แดงฝั่งกระแสไหลเข้า ดำฝั่งไหลออก)
4. เปิดไฟ อ่านค่า
5. ปิดไฟ ถอดมิเตอร์ ต่อวงจรคืน แล้ว "ย้ายสายแดงกลับช่อง VΩ"

ทางเลือกที่ปลอดภัยกว่า วัดแรงดันคร่อมตัวต้านทานที่รู้ค่าอยู่แล้ว แล้วใช้ I = V_R / R — ไม่ต้องตัดวงจร ไม่ต้องย้ายสาย และไม่มีทางทำฟิวส์ขาด งานอุตสาหกรรมนิยมใส่ shunt resistor ค่าต่ำไว้ตั้งแต่ออกแบบ

แนวคิด (3) — ทำไมโหมดกระแสอันตราย

ในโหมดกระแส มิเตอร์คือตัวต้านทานค่าต่ำมาก (shunt) — มิเตอร์ในโหมดกระแสจึงแทบเป็นสายไฟเส้นหนึ่ง

สายแดงอยู่ช่อง mA หรือ A เมื่อไร ห้ามแตะคร่อมอะไรทั้งสิ้น

แนวคิด (4) — ทำไมค่าที่วัดได้ไม่เท่ากับที่คำนวณ

burden voltage shunt ภายในมิเตอร์ทำให้กระแสในวงจรลดลงเล็กน้อยเมื่อใส่มิเตอร์เข้าไป

LED แดง 3.3 V, V_f=2.0V, R=270Ω → คำนวณได้ 4.81 mA
มิเตอร์ mA มีความต้านทานรวม 10 Ω (สมมุติ):
I = 1.3 V / (270 + 10) Ω = 4.64 mA      ต่ำกว่าเดิมราว 3.6%

แหล่งความต่างอื่น: ความคลาด ±5% ของตัวต้านทาน, 3V3 จริงไม่ใช่ 3.30 V พอดี, V_f ขึ้นกับกระแสและอุณหภูมิ

นิสัยที่ดี คำนวณใหม่ด้วยค่าที่วัดได้จริง (R, 3V3, V_f) ก่อนเทียบกับค่าที่มิเตอร์อ่านได้

ตัวอย่างสมบูรณ์ — สองวิธี หนึ่งวงจร

วงจร 3V3 → 270 Ω → LED สีแดง → GND

1. วัดค่าจริงก่อน   R วัดได้ 268 Ω, 3V3=3.29V, V_f=1.98V
2. คำนวณใหม่        (3.29−1.98)/268 = 4.89 mA
3. วิธีที่ 1: V คร่อม R  วัดได้ 1.31 V → 1.31/268 = 4.89 mA ตรงกับคำนวณใหม่
4. วิธีที่ 2: มิเตอร์อนุกรม  อ่านได้ 4.71 mA
5. อธิบาย   ต่าง 0.18 mA (3.6%) ถ้ามิเตอร์มี R ภายใน≈10Ω:
            (3.29−1.98)/(268+10) = 4.71 mA พอดี — เป็นผลจาก burden ไม่ใช่วงจรผิด
6. ปิดงาน   ปิดไฟ ต่อวงจรคืน ย้ายสายแดงกลับ VΩ

ฝึกเติม / แล็บ

ฝึกเติม

1. ต้องการวัดกระแสราว 20 mA และราว 2 A ควรเสียบสายแดงช่องไหนในแต่ละกรณี
2. ช่อง mA มีความต้านทานภายใน 5 Ω และฟิวส์ 400 mA ถ้าเผลอแตะสายคร่อมไฟ 3.3 V จะมีกระแสเท่าไร เกิดอะไรขึ้น

แล็บ ต่อวงจร 3V3 → 270 Ω → LED → GND (เว้นช่องว่างไว้หนึ่งจุด)

1. วัดค่าจริงของ R ก่อนต่อวงจร · ทาย กระแสทั้งแบบค่าบนตัวและค่าที่วัดได้
2. วิธีที่ 1: วัด V_R แล้วคำนวณ I = V_R/R
3. วิธีที่ 2: ย้ายสายแดงไปช่อง mA ต่ออนุกรมแทนช่องว่าง วัดค่า
4. ปิดงานทันที ย้ายสายแดงกลับ VΩ ก่อนทำข้อถัดไป แล้วทำซ้ำกับ 1 kΩ

เช็กความเข้าใจ

1. เรียงขั้นตอนการวัดกระแสของ LED ด้วยมิเตอร์แบบอนุกรมให้ถูกลำดับ — (ปิดไฟ · ย้ายสายแดงไป mA แล้วต่ออนุกรม · เปิดไฟอ่านค่า · ปิดไฟถอดมิเตอร์ · ย้ายสายแดงกลับ VΩ)

2. ทำไมการแตะสายวัดคร่อมแหล่งจ่ายขณะมิเตอร์อยู่ในโหมดกระแสจึงอันตราย

   • ก) จะแสดงค่าติดลบ · ข) มิเตอร์มีความต้านทานภายในต่ำมาก จึงเท่ากับลัดวงจรแหล่งจ่าย · ค) จะวัดแรงดันได้ไม่แม่น · ง) ไม่อันตราย มิเตอร์เปลี่ยนโหมดเอง

3. คำนวณกระแส LED ได้ 4.81 mA แต่ต่อมิเตอร์อนุกรมวัดได้ 4.64 mA คำอธิบายใดสมเหตุสมผลที่สุด

   • ก) LED เสีย · ข) มิเตอร์เสีย · ค) ความต้านทานภายในของมิเตอร์ (burden) รวมกับความคลาดของตัวต้านทานและแรงดันจริง · ง) กฎของโอห์มใช้กับ LED ไม่ได้

ไปต่อ

มัลติมิเตอร์ตอบได้ดีว่า "แรงดันหรือกระแสเฉลี่ยเท่าไร" แต่มองไม่เห็นสัญญาณที่เปลี่ยนเร็ว โมดูลถัดไป จับสัญญาณดิจิทัลครั้งแรก จะใช้ logic analyzer ดูสัญญาณที่เปลี่ยนเป็นล้านครั้งต่อวินาที