Cómo los amplificadores de detección de corriente controlan el estado de los satélites

¿Cómo sabemos cómo le está yendo a un satélite en el espacio desde aquí en la Tierra? Descubra cómo los amplificadores de detección de corriente o CSA son una parte crucial de varios sistemas de monitoreo por satélite.

Varias empresas de satélites comerciales han entrado en el sector espacial con un gran impacto, revolucionando esta actividad que alguna vez fue financiada en gran parte por el gobierno. Estas empresas, junto con muchas otras, están desarrollando megaconstelaciones de telecomunicaciones, redes de radar robustas y plataformas de imágenes ópticas mejoradas para órbita terrestre baja, órbita terrestre media y órbita ecuatorial geoestacionaria.

Estas misiones han llevado a muchos diseñadores a cambiar de basar los diseños de satélites en componentes discretos simples como amplificadores operacionales (amplificadores operacionales) o transistores en favor de microcircuitos más altamente integrados, lo que ayuda a ahorrar tiempo con el esfuerzo de diseño, ensamblaje y prueba.

En este artículo, discutiremos cómo los CSA pueden monitorear el estado y la funcionalidad de los sistemas de distribución de energía satelital y varios otros componentes eléctricos mediante la implementación de características como el monitoreo de la corriente del riel de tensión, la detección del punto de carga y el control del accionamiento del motor. Los amplificadores de detección de corriente (CSA) se adaptan bien a una amplia variedad de aplicaciones en los sistemas electrónicos de un satélite.

Conceptos básicos de CSA

Un CSA permite diseños de detección de lado alto y bajo; puede configurar el sistema para que tenga una resistencia de derivación antes o después de la carga (como se muestra en la Figura 1 ) para monitorear anomalías en la corriente de carga entregada esperada, como un evento de sobrecorriente.

Figura 1. Implementaciones de lado alto y bajo

Tabla 1 resume las ventajas y desventajas de las implementaciones de lado alto y bajo. Ambas configuraciones tienen sus ventajas y desventajas, dependiendo de lo que el diseñador del sistema busque lograr con el CSA.

	Lado alto	Lado bajo
Implementación	Entrada diferencial	Entrada única o diferencial
Susceptible a perturbaciones del suelo	No	Sí
Voltaje común	Cerca de suministro	Cerca del suelo
Requisitos del índice de rechazo en modo común	Más alto	Inferior
Detección de carga corta	Sí	No

Tabla 1. Detección de lado alto frente a lado bajo

Supervisión ferroviaria

Uno de los casos de uso más comunes para los CSA en un satélite es monitorear la corriente de entrada del riel de alimentación principal para detectar transitorios de un solo evento. La capacidad de un CSA puede manejar la aplicación de voltajes mayores que el voltaje de suministro a sus pines de entrada ofrece más flexibilidad de diseño que los amplificadores operacionales tradicionales u otros enfoques discretos, donde el voltaje del pin de entrada de modo común está limitado por los voltajes de suministro del op- amperio. Cuando utilice un CSA para monitorear el riel de alimentación principal, puede colocar una resistencia de derivación en el lado alto o bajo de la carga. El lado alto suele ser la configuración preferida cuando se monitorea el riel de alimentación principal, por lo que puede aprovechar el CSA para detectar cortocircuitos de carga para la protección del sistema y ayudar a evitar fallas completas del sistema.

Detección de punto de carga

Es posible aprovechar un CSA para realizar detección de punto de carga para protección contra sobrecorriente, optimización del sistema o retroalimentación de circuito cerrado, que son formas útiles de recopilar datos sobre componentes vitales del sistema y determinar el estado o el consumo de energía de cargas particulares del sistema. . Utilizando datos de CSA, el sistema puede tomar decisiones basadas en datos como autocalibración, detección corta o estrangulamiento del flujo de corriente para cargar componentes como amplificadores de potencia (PA) y otros sistemas electrónicos diversos y garantizar un funcionamiento adecuado. La precisión, el rango de alto voltaje y el rango de modo común independiente del voltaje de suministro de un CSA hacen posible monitorear más fácilmente los componentes de misión crítica y ayudar a garantizar el éxito de la misión.

Protección contra sobrecorriente

Figura 2 muestra una configuración discreta común de un CSA junto con un comparador, utilizando un voltaje de referencia definido para establecer el nivel de disparo. En esta configuración, el CSA se usa en el lado alto y mide el voltaje diferencial desarrollado a través de la resistencia de detección. El CSA envía la salida tanto a la entrada del comparador como al convertidor de analógico a digital. Con esta configuración, el sistema puede monitorear continuamente la corriente a la carga; si ocurre un evento inesperado, el comparador rápido se activará y tomará una decisión basada en datos para acelerar o apagar el sistema para evitar una falla total.

Figura 2. Protección discreta contra sobrecorriente

El INA901-SP de Texas Instruments es una lista de fabricantes calificados (QML) Clase V CSA de grado espacial capaz de detección de lado alto y bajo, con un voltaje de entrada que varía de –15 V a 65 V, 50 krad ( Si) especificación de radiación endurecida-asegurada (RHA) a una tasa de dosis baja e inmunidad de enganche de evento único (SEL) hasta un LET _EFF =75 MeV-cm ² / mg SEL. El INA901-SP ayuda a minimizar la cantidad de dispositivos necesarios para monitorear el estado del riel de suministro y proteger los sistemas satelitales de un evento de sobrecorriente.

Aplicaciones de comunicación por radiofrecuencia

Los sistemas de comunicación son una aplicación común para la detección de puntos de carga, donde los CSA desempeñan un papel vital en el control del funcionamiento del PA durante su vida útil. Cuando el equipo de comunicación de un satélite está transmitiendo ondas de radio, el ajuste del voltaje de la puerta para el punto de polarización específico del transistor en el PA controla la corriente que se entrega para ayudar a mejorar la eficiencia del sistema. Hay dos métodos para controlar el flujo de corriente a través del PA. El primer método, un concepto de circuito abierto, tiene algunos inconvenientes, incluido un voltaje de control fijo para la polarización, que ignora el impacto de las variaciones de suministro, el envejecimiento del dispositivo y las fluctuaciones causadas por los cambios de temperatura. El segundo método es un concepto de retroalimentación cerrada que aprovecha un CSA y varios otros componentes, lo que permite el control dinámico de los puntos de polarización del transistor PA pero da como resultado una huella de placa de circuito impreso más grande.

Figura 3 es un ejemplo de un sistema de circuito cerrado que monitorea el flujo de corriente a través del drenaje del PA, monitorea VDD con un monitor de bus y protección contra sobrecorriente con un comparador. Dependiendo de sus limitaciones con respecto al espacio de la placa, el costo, la precisión o el número de antenas, el método óptimo para el control dinámico puede variar. La mayoría de los enfoques incluyen un CSA que sirve como parte de la cadena de retroalimentación para ajustar el sesgo y mejorar la eficiencia.

Figura 3. Retroalimentación de voltaje, corriente y sobrecorriente del bus

Aplicaciones de accionamiento motorizado

En aplicaciones de accionamiento de motor, el circuito del controlador del motor genera señales moduladas por ancho de pulso (PWM) para controlar con precisión el funcionamiento de un motor. Estas señales moduladas están sujetas a los circuitos de monitoreo colocados en línea con cada fase del motor, que entrega información de retroalimentación para el circuito de control. Debido a que los amplificadores del mundo real (a diferencia de los amplificadores teóricos) no son perfectos, el hecho de que el amplificador no rechace adecuadamente los grandes pasos de voltaje de entrada impulsados ​​por PWM del voltaje de modo común puede afectar la salida. Los amplificadores del mundo real no tienen un rechazo infinito en modo común, y aparecen fluctuaciones indeseables en la salida del amplificador correspondiente a cada paso de voltaje de entrada.

Figura 4 muestra un ejemplo de CSA en una aplicación de accionamiento a motor. El amplificador rojo indica dónde colocar un CSA en línea en el sistema. Figura 5 muestra los resultados de un dispositivo de la competencia, mientras que la Figura 6 muestra la salida del INA240-SEP.

Figura 4. Implementación en línea de CSA (solo se muestra una fase)

Figura 5. Salida de dispositivo competitiva frente a entrada PWM

Figura 6. Salida INA240-SEP frente a entrada PWM

Estas fluctuaciones de salida pueden ser bastante grandes y, según las características del amplificador, pueden tardar un tiempo considerable en estabilizarse después de la transición de entrada. Aprovechar la tecnología mejorada de rechazo de PWM en el INA240-SEP ayuda a proporcionar altos niveles de supresión para grandes transitorios de modo común (ΔV / Δt) en sistemas que usan señales PWM, lo cual es especialmente útil en aplicaciones de solenoide y accionamiento de motor. Esta función permite mediciones de corriente precisas con transitorios reducidos y ondulación de recuperación asociada en el voltaje de salida.

El INA240-SEP de Texas Instruments es un dispositivo ultrapreciso que es capaz de un voltaje de modo común de –4-V a 80-V con un error de ganancia de 0.2%, una desviación de ganancia de 2.5 ppm / ° C y una voltaje de compensación de ± 25 μV. El dispositivo es parte de la cartera de TI de plástico espacial mejorado (Space EP) tolerante a la radiación hasta 30 krad (Si), con inmunidad SEL de hasta 43 MeV-cm ² / mg a 125 ° C, dirigido a aplicaciones de órbita terrestre baja.

Conclusión

La detección de corriente proporciona muchos beneficios a un sistema, incluido el rendimiento optimizado, la confiabilidad mejorada y el monitoreo de la condición para proteger los elementos vitales del sistema. Debido a que los CSA de grado espacial permiten mediciones directas con resultados altamente precisos, ayudan a que los sistemas funcionen correctamente durante muchos años en los entornos más hostiles. Para obtener más productos espaciales de Texas Instruments, consulte www.ti.com/applications/industrial/aerospace-defense/overview.html#.

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