Power Management Wie sich der Strom in Satelliten akkurat überwachen lässt

Autor / Redakteur: Steve Munns * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

In Raumfahrzeugen ist es enorm wichtig, den Strom in den verschiedenen Regelkreisen exakt zu überwachen. Wir verraten Ihnen, worauf es bei der Entwicklung von Stromversorgungen für Satelliten ankommt.

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Ein Satellit in der Erdumlaufbahn: Eine exakte Überwachung der Ströme in den verschiedenen Regelkreisen ist enorm wichtig.
Ein Satellit in der Erdumlaufbahn: Eine exakte Überwachung der Ströme in den verschiedenen Regelkreisen ist enorm wichtig.
(Bild: Fotolia, Andrey Armyagov)

Das akkurate Erfassen und Überwachen von Strom ist in Regelkreisen erforderlich, in denen Informationen über den Laststrom nötig ist, um die Stromversorgung zu überwachen, Motoren und Aktoren zu steuern sowie die Strombegrenzung, Fehlerschutz, Leitungskompensation und viele weitere Funktionen auszuführen. Dieser Beitrag betrachtet die direkte Strommessung mit einem Shunt-Widerstand aber auch alternative Lösungen und Kompromisse im Design. Obwohl der Fokus auf der Anwendung einer Satellitenstromversorgung liegt, kann vieles aus dieser Beschreibung wesentlich allgemeiner auch auf andere Strommessanwendungen angewendet werden.

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Die Herausforderungen steigen nicht mit der Satellitengröße

Unabhängig von der Größe eines Raumfahrzeugs sind die Herausforderungen, denen die Entwickler der Leistungssysteme gegenüberstehen gleich; das Ziel ist es, die Leistung zu maximieren und gleichzeitig die richtige Balance zwischen Gewicht, Zuverlässigkeit und Wirkungsgrad zu finden, sodass die Anforderungen der Mission zu den geringsten Gesamtkosten und mit einem minimalen Risiko für das Programm erreicht werden.

Getrieben vom Bedarf nach höherer Kapazität, größerem Funktionsumfang, höherer Auflösung und mehr Messgeräten, geht der Trend zu einer steigenden Komplexität der Stromversorgung und höherem Energiebedarf. Auf Schaltungsebene führt dies zu

  • einer steigenden Anzahl an Stromversorgungspegeln mit engen Toleranzen der Stromversorgung und sorgfältigen Ein-/Ausschaltsequenzen, um die zunehmend komplizierte Elektronik, z.B. FPGAs, zu unterstützen,
  • Einsatz von robusteren, voll elektronischen Schutzsystemen, die Relais ersetzen und um das damit zusammenhängende Management von redundanten Stromversorgungsbussen zu handhaben,
  • einer größeren Gewichtung des Wirkungsgrads, wegen der Verwendung von Versorgungssystemen mit höherer Spannung, fortschrittlichen Batteriemanagementsystemen und hoch entwickelter Steuerung der Energiezuteilung.

Die Entwicklung eines Stromversorgungssystems mit diesen Eigenschaften erfordert viele Stromüberwachungsschaltungen für die gesamte Nutzlast und ihre Hilfsschaltungen. Die ideale Lösung kombiniert hohen Wirkungsgrad und Genauigkeit mit einem kleinen Volumen. Rechnet man strahlungsbedingte Effekte und die begrenzte Auswahl an für den Einsatz im Weltraum qualifizierten, strahlungsresistenten oder COTS-Komponenten (Commercial of the Shelf) mit geeigneten Fähigkeiten hinzu, wird diese Aufgabe noch schwieriger.

Stromversorgung mit Strom­begrenzung im Raumfahrzeug

Um die Stromversorgungen vor Kurzschlüssen am Ausgang oder abnormalen Spannungsspitzen über die sicheren Betriebsbedingungen hinaus zu schützen, kann ein Sperrstrombegrenzer (Latching Current Limiter = LCL) verwendet werden, der als eine rückstellbare elektronische Sicherung agiert. Foldback-Strombegrenzer sind fortschrittlicher und erhalten den sicheren Betrieb der Stromversorgung, indem sie einen maximalen Betriebsstrom für die Schaltung einstellen.

Typische Schutzschaltungen mit konstantem Strom reduzieren die Ausgangsspannung, um die maximale Leistung zu kontrollieren, die geliefert wird, wenn der Widerstand des Verbrauchers abnimmt. Ein Nachteil dieser Methode ist das größere Spannungsdifferential vom Eingang zum Ausgang, was zu erhöhten Verlusten im Steuerungselement führt (PD = [VIN – VOUT] • IOUT).

Um dies zu vermeiden, ist es besser, den Ausgangsstrom mit der Ausgangsspannung zu reduzieren. Dies vermeidet exzessive Leistungsverluste beim Auftreten eines gravierenden Fehlers und thermische Überlastung. Gelegentlich enthalten einige lineare Leistungsregler-ICs einen ähnlichen Strombegrenzungsmechanismus auf Chipebene, was außerhalb des sicheren Betriebsbereichs eine thermische Überlastung und damit eine eventuelle Zerstörung der Schaltung verhindert.

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