[1]Изобретение относится к бортовому оборудованию космических аппаратов и может быть использовано для анализа и контроля параметров тока потребления различных узлов космического аппарата.
[2]Известна большая интегральная схема (БИС) датчика тока «Микросхема 1382НУ015» (http://www.zntc.ru/research/design-center/products/bis-datchika-toka-1382nu015.php), которая предназначена для измерения и контроля тока в обмотках электродвигателей для приводов управления, контроля тока в электрических цепях электрооборудования с индикацией аварийной ситуации, а также для контроля и управления для автоматики и авионики. Данная микросхема представляет собой кристалл, разваренный в металлокерамическом корпусе алюминиевой проволокой, который содержит блок преобразования магнитного поля, состоящий из четырех датчиков Холла с собственными усилителями сигнала, сумматора токов усилителей, из двух программируемых усилителей, мультиплексора, низкочастотного фильтра, усилителя Х10, двуханалого-цифровых преобразователей (АЦП), цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), блока стираемой программируемой памяти (EEPROM).
[3]Недостатком данной большой интегральной схемы «Микросхема 1382НУ015» является то, что микросхема производит измерение параметра тока путем преобразования магнитного поля от тока под корпусом самой микросхемы, что в свою очередь приводит к дополнительному усложнению расчета на электромагнитную совместимость, следовательно, и дополнительной экранировки и утяжелению, что приводит к значительному увеличению стоимости вывода космического аппарата на необходимую орбиту. Также недостатком является то, что при воздействии тяжелой заряженной частицы (ТЗЧ) подвержены выходу из строя, входящие в состав микросхемы, АЦП, ЦАП, блок стираемой программируемой памяти (EEPROM). Загрузка цифрового кода (т.е. прошивка), свидетельствует об избыточности функций при её использовании, а наличие большого количества элементов на кристалле свидетельствует о сложности реализации, что в свою очередь приводит к возрастанию ошибки при эксплуатации. Стоит отметить, что недостатком заявленной микросхемы, является также детектирование общего (суммарного) максимального тока потребления, и неспособность изменять верхний порог детектирования тока потребления при смене режимов работы в нагрузке.
[4]Известна микросхема радиационной защиты, предложенная в патенте на полезную модель RU110543 (заявка RU2011129838/28 от 19.07.2011). Настоящая полезная модель относится к области защиты интегральных микросхем от тяжелых заряженных частиц. Микросхема радиационной защиты, выполненная в кристалле полупроводника, включает схему управления защитой по току и супервизор питания, подключенные выходами к входам триггеров и логических элементов, а также выходы телеметрии (Alarm, WD_St, Compare), формирующие телеметрические сигналы и являющиеся выходами логических элементов, вход внешнего управления, выходы программирования времен срабатывания защиты (Cap_LP, Cap_WD), при этом содержит сторожевой таймер, входы которого подключены к двум триггерам Шмидта, а выходы к триггерам, формирующим выходные сигналы. К выводу Cap_LP микросхемы радиационной защиты подключен внешний конденсатор, от емкости которого зависит время срабатывания защиты. Время может быть установлено в диапазоне от 500 мкс до 100 мс. К выводу Cap_WD микросхемы радиационной защиты подключен внешний конденсатор, от емкости которого зависит время срабатывания сторожевого таймера. Время может быть установлено в диапазоне от 0,25 мс до 3 с.
[5]Недостаток данного устройства заключается в том, что избыточность заложенных в микросхему функций приводит к неоправданному усложнению её применения при практическом создании бортовой аппаратуры.
[6]В качестве ближайшего аналога заявленного изобретения может быть выбран датчик постоянного тока с развязкой, предложенный в патенте на изобретение RU 2528270 (заявка RU 2012134855/28 от 14.08.2012 г.). Изобретение относится к области измерительной технике и может быть использовано в различных системах космических аппаратов. Датчик содержит измерительный шунт, первый вывод которого подключен к общей шине питания, а второй к нагрузке, операционный усилитель (ОУ), четырехобмоточный трансформатор, первая обмотка которого через первый диод подключена к входу первого фильтра, выход которого является выходом устройства, вторая обмотка трансформатора через второй диод подключена к входу второго фильтра, положительный вывод питания ОУ подключен к плюсовой шине питания, а отрицательный – к общей шине питания. Датчик также содержит два резистивных делителя напряжения с равными коэффициентами деления; первый делитель включен между плюсовой шиной питания и вторым выводом шунта, а второй – между плюсовой шиной питания и общей шиной; инвертирующий вход ОУ подключен к выходу первого делителя, а неинвертирующий – к выходу второго делителя; положительный выход второго фильтра через введенный резистор подключен к неинвертирующему входу ОУ, а отрицательный - к инвертирующему входу ОУ. В устройство введен конденсатор, который включен между выходом и инвертирующим входом ОУ; введен p-n-p-транзистор, эмиттер которого подключен к первому выводу шунта, база через резистор – к выходу ОУ, а коллектор - к входу введенного RC-фильтра; выход RC-фильтра подключен к шинам питания блокинг-генератора, и вновь введенных диода, двух резисторов, конденсатора и транзистора.
[7]Однако, подключение данного устройства происходит непосредственно по первичному питанию, что приводит к не точному измерению тока потребления полезной нагрузки, в результате разности тока потребления по первичному питанию и выдаваемому току по вторичному питанию. Наличие в устройстве конденсаторов 20 и 22 снижает быстродействие измерения тока потребления. Наличие блокинг-генератора в данном устройстве приводит к повышенному потреблению тока, что крайне нежелательно при использовании в бортовой аппаратуре.
[8]Задачами настоящего заявляемого изобретения являются:
[9]- оперативное отслеживание момента обрыва питания и выдачи соответствующей телеметрической информации на решающее устройство;
[10]- предотвращение отказа работы аппаратуры в результате длительного воздействия радиационного излучения, приводящего к повышению либо к понижению тока потребления, и дальнейшему катастрофическому отказу бортовой аппаратуры и ее узлов, отслеживанием порогового значения тока потребления;
[11]- регулирование верхнего порога срабатывания дифференциального усилителя в зависимости от режима работы нагрузки.
[12]Техническим результатом заявленного изобретения является своевременное предотвращение выхода из строя бортовой аппаратуры и выдача соответствующей телеметрии, а также расширение функциональных возможностей датчика тока в регулировании верхнего порога срабатывания, за счет того, что дополнительно введены резисторы в состав дифференциального усилителя по верхнему порогу.
[13]Для достижения ожидаемого технического результата датчик определения заданного порога тока потребления, состоящий из датчика тока, двух N-канальных MOSFET транзисторов, резисторов, также включает в себя дифференциальные усилители верхнего и нижнего порогов, которые подключены параллельно друг относительно друга к выходу датчика тока. Дифференциальный усилитель верхнего порога подключен к выходу датчика тока неинвертирующим входом, при этом его инвертирующий вход подключен к точке опорного напряжения через делитель напряжения, выполненный на резисторах, также в дифференциальный усилитель верхнего порога дополнительно введены резисторы изменения верхнего порога детектирования.
[14]Дифференциальный усилитель нижнего порога подключен инвертирующим входом, при этом его неинвертирующий вход подключен к точке опорного напряжения через делитель напряжения, выполненный на резисторах. Выходы дифференциальных усилителей верхнего и нижнего порогов подключены к затворам N-канальных MOSFET транзисторов соответственно.
[15]Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой изображены:
[17]А2, A3 – дифференциальные усилители;
[18]ТМ – выходная площадка телеметрии;
[19]1 – малоомный резистор R-дет;
[21]8, 19, 21 – операционные усилители;
[22]3…7, 9…18, 20, 22, 25, 26 – резисторы, в формулах буквой “R”;
[23]23, 24 – N-канальный MOSFET транзисторы (далее – транзисторы).
[24]Устройство работает следующим образом.
[25]В процессе эксплуатации нагрузки 2 происходит постепенный набор дозы космической радиации до контрольной критической величины, что приводит к увеличению тока и напряжения на контрольном малоомном резисторе R-дет 1, который подключен к датчику тока А1, выполненный на операционном усилителе 8.
[26]Выход А1 выдает напряжение Uдет на дифференциальные усилители А2 и А3, которые подключены параллельно друг относительно друга. Напряжение Uдет определяется по формуле (1), где IН является током потребления нагрузки:
[27]
(1)
[28]Дифференциальный усилитель А2, построенный на операционном усилителе 19, подключен к выходу датчика тока неинвертирующим входом, при этом его инвертирующий вход подключен к точке опорного напряжения Uоп через делитель напряжения, выполненный на резисторах 11 и 13.
[29]Дифференциальный усилитель А3, построенный на операционном усилителе 21, подключен к выходу датчика тока инвертирующим входом, при этом его неинвертирующий вход подключен к точке опорного Uоп напряжения через делитель напряжения, выполненный на резисторах 12 и 17.
[30]Выходы дифференциальных усилителей А2 и А3 подключены через резисторы 22 к затворам N-канальных MOSFET транзисторов 23 и 24, следовательно, резисторы 22 защищают транзисторы
23, 24 от выхода из строя, ограничивая уровень тока, поступающий на их затворы.
[31]Транзистор 24 подключен истоком на землю через резистор 25, а стоком к истоку транзистора 23, исток которого в свою очередь подключен через резистор 26 на землю. Сток транзистора 23 подключен к выходной площадке телеметрии ТМ, на которую подаётся напряжения через высокоомный резистор 10 от источника питания Uпит.
[32]В рабочем режиме напряжение на площадке телеметрии ТМ
UТМопределяется по формуле (2)
[33]
, (2)
[34]где ∑R является суммой сопротивления параллельно подключенных резисторов 25, 26. ∑R определяется по формуле (3):
[35]
. (3)
[36]Полученное значение UТМиз формулы (2) соответствует штатному режиму работы.
[37]Для выдачи соответствующего сигнала телеметрии на площадке ТМ резисторы 10, 25, 26 должны быть одного номинала, который выбирается таким образом, что бы ограничить ток протекания (не более 10 мА).
[38]При срабатывании дифференциального усилителя А2 на затвор транзистора 23 выдается отрицательное (запирающее) напряжение Uout1, транзистор 23 закрывается. В результате чего на площадке ТМ появляется напряжение UТМ = UПИТ, что свидетельствует о неисправности нагрузки в результате превышения допустимого порога тока потребления.
[39]При срабатывании дифференциального усилителя А3 на затвор транзистора 24 выдается отрицательное (запирающее) напряжение Uout2, транзистор 24 закрывается. В результате чего на площадке ТМ появляется напряжение UТМ,свидетельствующее о неисправности нагрузки в результате понижения тока потребления, которое определяется по формуле (4):
[40]
(4)
[41]Путем сравнения напряжения Uдет датчика тока А1 с напряжением заданного порога срабатывания Vi.на дифференциальном усилителе А2 происходит принятие решения о превышение порога тока потребления.
[42]При штатной работе порог срабатывания Viна дифференциальном усилителе А2, с учетом значения предельно допустимого тока потребления нагрузки Iн, представленного в процентном соотношении (λ%), определяется по формулы (5) и подбирается таким образом, чтобы (
.
[43]
(5)
[44]При превышении заданного предельно допустимого порога срабатывания 
напряжение дифференциального усилителя А2, равное Uout1, скачком меняет свое значение со знака плюс на минус, то есть он срабатывает, как компаратор.
[45]Когда нагрузка 2 имеет только один рабочий режим, напряжение срабатывания дифференциального усилителя А2 задается относительно опорной точки Uоп резисторами 11, 13 и определяется по формуле (6).
[46]
(6)
[47]Уровень срабатывания относительно детектируемого напряжения можно подобрать по следующей формуле (7):
[48]
(7)
[49]В результате смены знака с плюса на минус происходит закрытие транзистора 23, наличие соответствующего напряжения площадке ТМ сообщает о неисправности в работе нагрузки 2.
[50]В случае, когда нагрузка 2 имеет несколько режимов работы, необходимо с переключением режима работы нагрузки 2 изменять порог срабатывания Vi максимального тока потребления, для своевременного предотвращения катастрофического отказа нагрузки 2.
[51]Для регулирования верхнего порога детектирования при смене режима тока потребления нагрузки 2 в состав дифференциального усилителя А2 введены резисторы 6 и 9 и точки опорного напряжения Umin, Umid соответственно, значение точки Uоп принимает значение Umax. Далее на опорные точки Umin, Umid,Umaxподается напряжение в зависимости от режима работы нагрузки 2, что позволяет менять порог срабатывания Vi, а, следовательно, и повысить срок активного существования полезной нагрузки 2.
[52]Порог срабатывания для каждого режима работы (Vimax, Vimid, Vimin) подбирается по формулам (8, 9, 10), при условии, что 
, как было сказано ранее, где Uдет соответствует режиму работы нагрузки:
[53]
(8)
[54]
(9)
[55]
(10)
[56]Полученные значения Vimax, Vimid, Viminпроверяются по формуле 7, и если во время работы условие не выполняется, то UOut1 меняет знак с плюса на минус, транзистор 23 закрывается и наличие соответствующего напряжения площадке ТМ сообщает о неисправности в работе нагрузки 2.
[57]Путем сравнения напряжения Uдетдатчика тока А1 с напряжением заданного порога срабатывания Uопна дифференциальном усилителе А3 происходит принятие решения о снижении порога тока потребления.
[58]При штатной работе порог срабатывания Vn, с учетом значения предельно допустимого минимального тока потребления нагрузки Iн, представленного в процентном соотношении (λ%), определяется по формуле (11) и подбирается так, чтобы 
.
[59]
(11)
[60]Напряжение срабатывания Vn нижнего порога дифференциального усилителя А3 относительно опорной точки Uопустанавливается резисторами 13, 18 и определяется по формуле (12).
[61]
(12)
[62]При понижении заданного предельно допустимого порога 
напряжение дифференциального усилителя А3, равное Uout2,скачком меняет свое значение со знака плюс на минус, то есть он срабатывает, как компаратор.
[63]Уровень срабатывания относительно детектируемого напряжения определяется по следующей формуле (13):
[64]
(13)
[65]В результате смены знака с плюса на минус происходит закрывание транзистора 24 и наличие соответствующего напряжения на площадке ТМ сообщает о неисправности в работе нагрузки 2.
[66]Таким образом, выдаваемые сигналы телеметрии на площадку ТМ позволяют локализовать причину отказа (повышение тока потребления или обрыв по питанию), а своевременное обесточивание аппаратуры способно существенно продлить срок службы космического аппарата, поскольку при обесточивании срабатывает эффект рассасывания индуцированных зарядов, что обеспечивает при новом включении блока возврат к исходному значению тока потребления.
