Interruttore di potenza tollerante ai guasti

Il progetto AraMiS (Architettura Modulare per Satelliti) ha inizio nell’autunno del 2006
sulla base dell’esperienza appurata dal progetto PiCPoT (Piccolo Cubo del Politecnico di
Torino), il primo nanosatellite realizzato dal Politecnico di Torino, che ha cos aderito ad
un’iniziativa internazionale, dall’elevata valenza didattica, che concerne la progettazione
di un satellite in ambito universitario.
La losoa progettuale standard adottata da diverse universita in tutto il mondo si
basa sul concetto di Cubesat, un satellite di forma cubica con un lato di circa 10 cm e una
massa di un 1 Kg al massimo.
PiCPoT e un piccolo cubo di 13 cm di lato contenente, all’interno, sottosistemi elettronici
sviluppati ad hoc per svolgere le funzioni di trasmettere dati (per esempio, le misure
dei sensori di bordo alla Stazione di Terra), scattare fotograe, valutare il funzionamento
del GPS in orbita LEO e quello dei componenti COTS (Components Of The Shelf ) nello
spazio.
Per proseguire l’attivita iniziata col progetto precedente, e nata l’idea di base del
progetto AraMiS che si sviluppa seguendo il concetto di modularita. Quest’ultimo si
compone di un discreto numero di moduli, detti tiles, preassemblati e precollaudati che
hanno la caratteristica di poter essere riutilizzati a seconda delle esigenze di ciascuna
missione.
Cio permette una realizzazione low cost e tempi di sviluppo molto ristretti per il
progetto.
I moduli, comunicanti tra di loro tramite un bus seriale, hanno dimensione standard;
alcuni saranno collocati sulla supercie esterna del satellite, altri al suo interno.
II
Questo lavoro di tesi intende occuparsi dello sviluppo di un sistema formato da un
interruttore di potenza tollerante ai guasti. Che sucessivamente fara parte del Blocco di
Gestione di Potenza.
Lo sviluppo di tale sistema richiede alto livello di adabilita dato che fa parte di
un progetto aerospaziale. Pertanto, la parte progettuale del sistema ha tenuto conto di
speciche molto piu stringenti di quelle che in eetti sono richeste, al ne di garantire un
maggiore margine di sicurezza.
Le problematiche di interesse di cui conosciamo la natura sica sono molteplici. Alcune
di queste sono gia abbastanza conosciute e proviste di tecniche addatte ad evvitarle. Il
grosso stress meccanico e radioattivo, rispettivamente delle condizioni del lancio e del
ambiente aerospaziale, generano un serie di eetti danosi al sistema. Per via di queste
problematiche e delle loro ripercussioni nell’ambito progetuale, lo sviluppo di un sistema
semplice diventa abbastanza complesso. I principali problemi che bisogna considerare
sono: l’eetto di latch-up e le vibrazioni del lancio, che sono accenati in questo lavoro tanto
quanto le loro consequenze. Ovvero, e sconsigliato l’impiego di componenti di tecnologia
CMOS e componenti elettromeccanici.
Nonostante le considerazioni precedenti, eventuali guasti possono capitare date le condizioni
di lavoro estreme. Percio lo sviluppo di un sistema di questo genere richiede anche
un’attenzione speciale nel farlo rendere un insieme tollerante ai guasti. Al ne di raggiugiere
questo obiettivo sono state studiate alcune tecniche di ridondanza in modo che
nessun singolo elemento del sistema interruttore (ovvero traccia, pin, lo, componente
elettronico, ecc) sia assolutamente necessario al buon funzionamento dell’insieme.
La parte progettuale e cominciata con un interruttore elementare. Si e realizzato uno
studio dei suoi componenti e la congurazione piu adatta alle condizioni operative. Dopo
simulazioni e prove si e cercato di fare ulteriori migliore nel circuito in modo ad avere
minori tempi di commutazione per l’interruttore elementare. Una ulteriore migliora in
questo circuito e stata realizzata sucessivamente in maniera da permettere che la corrente
passe sia da una parte che dall’altra. Ovvero si e progettato un interruttore bidirezionale.
Il lavoro e proseguito con l’apposita replicazione del interruttore elementare in modo a
III
generare un circuito ridondante tollerante ai guasti. Nella stessa maniera di prima si sono
realizzati simulazioni e prove che hanno vericato il buon funzionamento del sistema.
In paralello allo sviluppo del sistema interruttore di potenza si e condotto uno studio
riguardo un parametro utilizzato spesso nei fusibili: l’Integrale di Joule. Lo scopo di
questo studio innovativo e acquisire nuove conoscenze su come questo parametro (anche
conosciuto come iquadrot o I2t) puo essere relazionato al transistor di potenza. Dato che
il fusibile e il transistor (come viene utilizzato in questo lavoro, per esempio) funzionano
essenzialmente come interruttori di corrente, e utile metterli in relazione. Allo scopo
di vericare il comportamento del transistor e stato condotto un esperimento in cui il
dispositivo e stato sottoposto ad un grosso picco istantaneo di corrente.