Como os amplificadores de detecção de corrente monitoram a saúde do satélite

Como sabemos como está o desempenho de um satélite no espaço daqui da Terra? Aprenda como os amplificadores de detecção de corrente ou CSAs são uma parte crucial de vários sistemas de monitoramento por satélite.

Várias empresas de satélites comerciais entraram no setor espacial com um grande impacto, revolucionando essa atividade antes financiada em grande parte pelo governo. Essas empresas, junto com muitas outras, estão desenvolvendo megacontelações de telecomunicações, redes robustas de radar e plataformas de imagens ópticas aprimoradas para órbita terrestre baixa, órbita terrestre média e órbita equatorial geoestacionária.

Essas missões levaram muitos projetistas a basear os projetos de satélites em componentes discretos simples, como amplificadores operacionais (amplificadores operacionais) ou transistores em favor de microcircuitos mais integrados, o que ajuda a economizar tempo com esforço de projeto, montagem e teste.

Neste artigo, discutiremos como os CSAs podem monitorar a integridade e a funcionalidade dos sistemas de distribuição de energia por satélite e vários outros componentes elétricos, implementando recursos como monitoramento de corrente do barramento de alimentação, detecção de ponto de carga e controle de acionamento por motor. Os amplificadores de detecção de corrente (CSAs) são adequados para uma ampla variedade de aplicações nos sistemas eletrônicos de um satélite.

Noções básicas de CSAs

Um CSA permite projetos de detecção de lado alto e baixo; você pode configurar o sistema para ter um resistor shunt antes ou depois da carga (conforme mostrado na Figura 1 ) para monitorar anomalias na corrente de carga fornecida esperada, como um evento de sobrecorrente.

Figura 1. Implementações de alto e baixo lado

Tabela 1 resume as compensações de implementações de alto e baixo lado. Ambas as configurações têm suas vantagens e desvantagens, dependendo do que o projetista do sistema deseja realizar com o CSA.

	Lado alto	Lado baixo
Implementação	Entrada diferencial	Entrada única ou diferencial
Susceptível a perturbações no solo	Não	Sim
Tensão comum	Fechar para fornecer	Perto do solo
Requisitos de taxa de rejeição de modo comum	Superior	Inferior
Detecção de carga curta	Sim	Não

Tabela 1. Detecção de lado alto vs. lado baixo

Monitoramento de trilhos

Um dos casos de uso mais comuns para CSAs em um satélite é monitorar a corrente de entrada do barramento de alimentação principal para detectar transientes de evento único. A capacidade de um CSA pode lidar com a aplicação de tensões maiores do que a tensão de alimentação para seus pinos de entrada oferece mais flexibilidade de design do que os amplificadores operacionais tradicionais ou outras abordagens discretas, onde a tensão do pino de entrada de modo comum é limitada pelas tensões de alimentação do op- amp. Ao usar um CSA para monitorar o barramento de alimentação principal, você pode colocar um resistor de derivação no lado alto ou baixo da carga. O lado alto é normalmente a configuração preferida ao monitorar o barramento de alimentação principal, portanto, você pode aproveitar o CSA para detectar curtos de carga para proteção do sistema e ajudar a evitar falhas completas do sistema.

Detecção de ponto de carga

É possível aproveitar um CSA para realizar detecção de ponto de carga para proteção de sobrecorrente, otimização do sistema ou feedback de circuito fechado, que são maneiras úteis de coletar dados sobre componentes vitais do sistema e determinar a integridade ou consumo de energia de cargas de sistema específicas . Usando dados do CSA, o sistema pode tomar decisões baseadas em dados, como autocalibração, detecção de curto ou fluxo de corrente de estrangulamento para carregar componentes como amplificadores de potência (PAs) e outros vários sistemas eletrônicos e garantir a operação adequada. A precisão do CSA, a faixa de alta tensão e a faixa de modo comum independente da tensão de alimentação tornam possível monitorar mais facilmente os componentes de missão crítica e ajudam a garantir o sucesso da missão.

Proteção contra sobrecorrente

Figura 2 mostra uma configuração discreta comum de um CSA acoplado a um comparador, usando uma tensão de referência definida para definir o nível de desarme. Nesta configuração, o CSA está sendo usado no lado alto e medindo a tensão diferencial desenvolvida através do resistor de detecção. O CSA envia a saída para a entrada do comparador e para o conversor analógico-digital. Com essa configuração, o sistema pode monitorar continuamente a corrente para a carga; se ocorrer um evento inesperado, o comparador rápido irá disparar e tomar uma decisão baseada em dados para acelerar ou desligar o sistema para evitar falha completa.

Figura 2. Proteção de sobrecorrente discreta

O INA901-SP da Texas Instruments é uma Lista de Fabricantes Qualificados (QML) Classe V CSA de nível espacial capaz de detecção de lado alto e baixo, com uma tensão de entrada variando de -15 V a 65 V, um 50 krad ( Si) especificação de proteção garantida por radiação (RHA) a uma taxa de dose baixa e imunidade de engate de evento único (SEL) até um LET _EFF =75 MeV-cm ² / mg SEL. O INA901-SP ajuda a minimizar o número de dispositivos necessários para monitorar a integridade do trilho de abastecimento e proteger os sistemas de satélite de um evento de sobrecorrente.

Aplicativos de comunicação de radiofrequência

Os sistemas de comunicação são uma aplicação comum para detecção de ponto de carga, onde os CSAs desempenham um papel vital no controle da operação do PA durante sua vida útil. Quando o equipamento de comunicação de um satélite está transmitindo ondas de rádio, o ajuste da tensão do portão para o ponto de polarização específico do transistor no PA controla a corrente sendo fornecida para ajudar a melhorar a eficiência do sistema. Existem dois métodos para controlar o fluxo de corrente através do PA. O primeiro método, um conceito de malha aberta, tem algumas desvantagens, incluindo uma tensão de controle fixo para a polarização, que desconsidera o impacto das variações de fornecimento, envelhecimento do dispositivo e flutuações causadas por oscilações de temperatura. O segundo método é um conceito de feedback fechado aproveitando um CSA e vários outros componentes, o que permite o controle dinâmico dos pontos de polarização do transistor PA, mas resulta em uma pegada maior da placa de circuito impresso.

Figura 3 é um exemplo de sistema de circuito fechado monitorando o fluxo de corrente através do dreno do PA, monitorando VDD com um monitor de barramento e proteção de sobrecorrente com um comparador. Dependendo de suas restrições em relação ao espaço da placa, custo, precisão ou número de antenas, o método ideal para controle dinâmico pode variar. A maioria das abordagens inclui um CSA para servir como parte da cadeia de feedback para ajustar a tendência e melhorar a eficiência.

Figura 3. Tensão do barramento, corrente e feedback de sobrecorrente

Aplicações acionadas por motor

Em aplicações de acionamento por motor, o circuito acionador de motor gera sinais modulados por largura de pulso (PWM) para controlar com precisão a operação de um motor. Esses sinais modulados estão sujeitos aos circuitos de monitoramento colocados em linha com cada fase do motor, que fornece informações de feedback para o circuito de controle. Como os amplificadores do mundo real (em oposição aos amplificadores teóricos) são menos do que perfeitos, a falha do amplificador em rejeitar adequadamente as grandes etapas de tensão de entrada acionadas por PWM da tensão de modo comum pode afetar a saída. Os amplificadores do mundo real não têm rejeição de modo comum infinita e flutuações indesejáveis ​​aparecem na saída do amplificador correspondente a cada etapa de tensão de entrada.

Figura 4 mostra um exemplo de um CSA em uma aplicação acionada por motor. O amplificador vermelho indica onde colocar um CSA em linha no sistema. Figura 5 mostra os resultados de um dispositivo concorrente, enquanto a Figura 6 mostra a saída do INA240-SEP.

Figura 4. Implementação em linha de CSAs (apenas uma fase mostrada)

Figura 5. Saída de dispositivo concorrente vs. entrada PWM

Figura 6. Saída INA240-SEP vs. entrada PWM

Essas flutuações de saída podem ser bastante grandes e, dependendo das características do amplificador, podem levar um tempo significativo para se estabilizar após a transição de entrada. Alavancar a tecnologia de rejeição PWM aprimorada no INA240-SEP ajuda a fornecer altos níveis de supressão para grandes transientes de modo comum (ΔV / Δt) em sistemas que usam sinais PWM, o que é especialmente útil em aplicações de acionamento por motor e solenóide. Este recurso permite medições de corrente precisas com transientes reduzidos e ondulação de recuperação associada na tensão de saída.

O INA240-SEP da Texas Instruments é um dispositivo ultrapreciso que é capaz de uma tensão de modo comum de –4-V a 80-V com um erro de ganho de 0,2%, um desvio de ganho de 2,5 ppm / ° C e um tensão de deslocamento de ± 25 μV. O dispositivo faz parte do portfólio tolerante à radiação Space-Enhanced Plastic (Space EP) da TI até 30-krad (Si), com imunidade SEL de até 43 MeV-cm ² / mg a 125 ° C, visando aplicações em órbita terrestre baixa.

Conclusão

O sensoriamento de corrente fornece muitos benefícios a um sistema, incluindo desempenho otimizado, confiabilidade aprimorada e monitoramento de condição para proteger os sinais vitais do sistema. Como os CSAs de grau espacial permitem medições diretas com resultados altamente precisos, eles ajudam os sistemas a funcionar corretamente por muitos anos nos ambientes mais adversos. Para mais produtos espaciais da Texas Instruments, consulte www.ti.com/applications/industrial/aerospace-defense/overview.html#.

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