Rilevare la corrente nei veicoli spaziali

In anelli di regolazione in cui occorrono informazioni sulla corrente di carico per il monitoraggio dell’alimentatore, la regolazione dell’attuatore e del motore elettrico, la limitazione della corrente, la protezione contro i guasti, la compensazione di linea e molte altre funzioni, sono necessari il monitoraggio e la rilevazione precisi della corrente. Il presente articolo esamina la rilevazione della corrente continua mediante un resistore di shunt nonché soluzioni alternative e compromessi sulla progettazione. Sebbene l’articolo si concentri sugli alimentatori in ambito satellitare, gran parte della discussione può riguardare più generalmente altre applicazioni di rilevazione della corrente.

I requisiti di un’alimentazione
Indipendentemente dalle dimensioni del veicolo spaziale, i problemi relativi a un sistema di alimentazione ai quali devono far fronte i progettisti sono simili; l’obiettivo sarà quello di massimizzare le prestazioni, al tempo stesso determinando il giusto equilibrio tra il peso, l’affidabilità e l’efficienza per soddisfare i requisiti della missione al costo totale più basso possibile e con rischio minimo per il programma. La tendenza, a cui dà impulso la richiesta di capacità superiore, più funzionalità, risoluzione più elevata e numero maggiore di strumenti, è verso l’aumento della complessità del sistema di alimentazione e verso un consumo maggiore di energia. Al livello di circuito questo comporta:
- un numero crescente di linee di alimentazione con tolleranze rigorose sull’alimentatore e sequenza di accensione strettamente controllata a causa dei dispositivi elettronici sempre più complessi, come gli Fpga;
- l’uso di sistemi di protezione completamente elettronici, più robusti, per sostituire i relè e gestire le corrispondenti operazioni di bus di alimentazione ridondanti;
- una maggiore attenzione all’efficienza tramite l’uso di sistemi di alimentazione a tensione più alta, sofisticata gestione della batteria e regolazione avanzata dell’energia.
La progettazione di un sistema di alimentazione che presenti queste caratteristiche richiede molti circuiti di monitoraggio della corrente in tutti i circuiti ausiliari e del carico utile. La soluzione ideale combina efficienza, precisione e ingombro ridotto. Aggiungendo gli effetti indotti dalle radiazioni e la scelta limitata di componenti immediatamente disponibili in commercio qualificati per applicazioni spaziali, resistenti alle radiazioni o altrimenti adatti, il compito diventa ancora più difficile.

Limitazioni sulla corrente dell’alimentatore in veicoli spaziali
Per proteggere gli alimentatori da guasti di cortocircuito all’uscita o anomalie transitorie che vadano oltre le condizioni di funzionamento sicuro, si può impiegare un limitatore di corrente latching che funzioni da fusibile elettronico ripristinabile. I limitatori di corrente fold-back sono più complessi e cercano di mantenere funzionale l’alimentatore in sicurezza stabilendo un limite massimo della corrente di funzionamento del circuito. I tipici circuiti di protezione a corrente costante riducono la tensione di uscita per regolare la massima potenza erogata al diminuire della resistenza del carico. Uno svantaggio di questo approccio è la maggiore differenza tra la tensione d’ingresso e quella di uscita, che causa una maggiore dissipazione nell’elemento di regolazione (PD = [VIN – VOUT] x IOUT). Per far fronte a questo problema, si ricorre a un ulteriore perfezionamento riducendo la corrente di uscita con la tensione di uscita, evitando così una dissipazione eccessiva di potenza in caso di una grave condizione di guasto e danni termici. Incidentalmente, i circuiti integrati di alcuni regolatori lineari di potenza includono un analogo meccanismo di limitazione della corrente a livello di chip, il che previene la fuga termica e, alla fine, la distruzione del dispositivo al di fuori dell’area di funzionamento in sicurezza.

Compromessi sulla rilevazione della corrente
Le misure per la rilevazione della corrente continua sono invasive per il circuito, poiché si inserisce un resistore di rilevazione in serie con il carico per creare una caduta di tensione proporzionale alla corrente di carico, secondo la legge di Ohm. La selezione del resistore di carico rappresenta un compromesso tra la dissipazione di potenza nel resistore stesso e la precisione della misura di corrente. Per evitare una dissipazione eccessiva di potenza nel resistore di carico, la sua resistenza deve essere quanto più piccola possibile pur consentendo di rilevare un segnale di corrente minimo. Il minimo segnale riproducibile con precisione è limitato principalmente dall’offset d’ingresso CC del circuito di misura. Un altro parametro importante del circuito di misura è la tensione di modo comune all’ingresso. Ciò è particolarmente importante per il monitoraggio della linea di alimentazione, poiché il circuito di misura deve monitorare, oltre al bus di alimentazione di modo comune, la piccola tensione differenziale che si sviluppa ai capi del resistore di rilevazione. Si fa riferimento a questa configurazione con il termine high-side; si tratta della configurazione più frequente e più vantaggiosa per la maggior parte delle applicazioni. In una situazione ottimale, il circuito di rilevazione della corrente high-side offre flessibilità, come la possibilità di alimentarlo direttamente dalla linea di alimentazione monitorata oppure da un alimentatore indipendente, regolabile separatamente. Un’altra caratteristica vantaggiosa è la possibilità di alimentare il circuito dall’uno o dall’altro lato del resistore di rilevazione, consentendo quindi di includere nella corrente monitorata – o escludere – la corrente assorbita dal circuito.
Al contrario della rilevazione della corrente high-side, con la configurazione low-side si inserisce il resistore di rilevazione nel percorso di ritorno a massa del carico, per cui la tensione di modo comune è prossima a massa e l’uscita può essere riferita a massa. Lo svantaggio della rilevazione low-side è che un guasto del carico in cortocircuito non sarà rilevato e il carico viene “sollevato”, rispetto alla vera massa, dalla caduta di tensione ai capi del resistore di rilevazione.

Alternative per l’amplificatore a circuiti integrati
Sebbene implementazioni semplici con transistor discreti rimangano un’opzione nelle applicazioni per veicoli spaziali, le prestazioni migliorate, le funzionalità perfezionate e l’ingombro ridotto del circuito ottenibili con soluzioni a circuiti integrati rendono queste ultime interessanti. Naturalmente vi sono sempre compromessi da considerare in termini di prestazioni relative alle radiazioni, modalità di guasto e sistemi preesistenti nel veicolo spaziale. La rilevazione di corrente è ottenibile con numerose tipologie diverse di amplificatori a circuiti integrati.
• Gli amplificatori operazionali universali sono adatti per la rilevazione di corrente “low-side” a causa del loro intervallo limitato di tensioni di modo comune. Il loro elevato guadagno ad anello aperto richiede un circuito di retroazione e quindi li limita a segnali d’ingresso sbilanciati. Tuttavia, negli ultimi anni sono stati introdotti nuovi dispositivi con elevate tensioni d’ingresso di modo comune, come l’LT6016 di Linear Technology, pure adatti per la rilevazione di corrente “high-side”.
• Gli amplificatori differenziali sono impiegati quando è necessaria una rilevazione di corrente bidirezionale, come nei sistemi di regolazione di motori elettrici, e presentano un ampio intervallo di tensioni d’ingresso di modo comune che possono superare di un margine considerevole la tensione di alimentazione del dispositivo. Gli amplificatori differenziali incorporano resistori di regolazione di precisione che ne limitano i rapporti di guadagno a valori costanti predefiniti.
• Gli amplificatori di strumentazione possono essere considerati amplificatori differenziali dotati di uno stadio pre-amplificatore che offre più flessibilità, con guadagno variabile impostabile mediante un resistore esterno. Il pre-amplificatore ha l’impedenza di uscita molto alta che riduce al minimo il carico sul bus di alimentazione, rendendo possibile la misura di correnti del sistema minori rispetto a quanto sia possibile con un amplificatore differenziale. Uno svantaggio è che la tensione di modo comune in genere è limitata alla tensione di alimentazione.
• Gli amplificatori a deriva nulla o “stabilizzati con chopper” assicurano la minima tensione di offset all’ingresso. Ad esempio, per l’LT2050 la tensione è specificata a 3µV, offrendo una rilevazione di corrente ad altissima precisione. Ma con il funzionamento limitato a 6 V, questa soluzione è adatta per la rilevazione di corrente low-side.
• Gli amplificatori a rilevazione di corrente presentano un set di funzionalità ottimizzate e specifiche pensate per l’operazione. Possono quindi ridurre i tempi di progettazione e offrire una soluzione flessibile per diverse applicazioni di rilevazione della corrente. Uno di questi amplificatori è l’RH6105; si tratta di una versione dell’LT6105 qualificata di classe V MIL-PRF-38535 e resistente alle radiazioni.

Amplificatore a rilevazione di corrente resistente alle radiazioni
L’RH6105 presenta una topologia d’ingresso unica che ne consente l’uso in un’ampia gamma di applicazioni di rilevazione di corrente:
- rilevazione di corrente high-side o low-side;
- pilotaggio di carico induttivo a un quarto di ponte, semiponte o ponte intero
- monitoraggio di linee di alimentazione (alimentatori a tensione positiva o negativa);
- monitoraggio di fusibili e Mosfet.
L’importanza di una bassa tensione di offset all’ingresso è stata già discussa in questo articolo. In genere per l’RH6105 questa tensione è di ±100µV a una pre-irradiazione di 25°C, facilitando l’uso di un resistore di rilevazione di piccola resistenza pur mantenendo buona precisione della misura.
L’RH6105 mantiene i tradizionali resistori esterni di impostazione del guadagno, consentendo di ottimizzare il circuito di rilevazione della corrente secondo l’intervallo d’ingresso di un convertitore analogico/digitale o la specifica soglia d’ingresso di un comparatore.
La versatilità dell’RH6105 risulta dalla sua esclusiva tecnologia d’ingresso. L’intervallo di tensioni di modo comune all’ingresso va da -0,3 a +44 V rispetto a V-, indipendentemente dalla V+ utilizzata per polarizzare il dispositivo. Ad esempio, il dispositivo potrebbe essere alimentato da una linea a 5 V mentre monitora un bus di alimentazione a 28 V. Inoltre, gli ingressi del dispositivo rimangono ad alta impedenza anche se l’alimentazione V+ viene disinserita intenzionalmente, continuando quindi a presentare un carico adeguato al sistema e risultando ideale per applicazioni fail-safe o con bus ridondante. Inoltre, l’RH6105 ha un intervallo di tensioni d’ingresso differenziali di ±44V, consentendo di monitorare tensioni ai capi di un interruttore o un fusibile aperto. Analogamente, se sul carico si sviluppa un circuito aperto, il dispositivo rimane integro e la corrente viene limitata ad alcuni milliampere.

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