一種單星模擬器光源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翁寅生，謝正茂，何俊華，翁方煜

(1.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西西安710119；2.中國電子科技集團(tuán)第三十三研究所，山西太原030006)

單星模擬器是星敏感器的主要地面標(biāo)定設(shè)備之一，其作為瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的一部分，提供一束平行光供星敏感器測量，用來模擬無窮遠(yuǎn)處的恒星所發(fā)出的平行光。為了能在實(shí)驗(yàn)室中標(biāo)定星敏感器，通常提供一個模擬星，星模擬器就是模擬星的設(shè)備，它提供相對被測物體無限遠(yuǎn)的點(diǎn)光源作為模擬星，對其大小、光度(星等值)、光譜特性、色溫類型等進(jìn)行嚴(yán)格模擬，以便對星敏感器的探測能力、空間分辨率等進(jìn)行地面定標(biāo)，進(jìn)而確定星敏感器光軸的空間位置。

由于過去研制的單星模擬器的控制系統(tǒng)多采用單片機(jī)和AD/DA轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，雖然其精度高，但體積大、控制復(fù)雜、成本高；由于光源多采用鹵鎢燈，它不但體積大、而且發(fā)熱量大、壽命短，長期使用穩(wěn)定性不夠。本文提出了一種采用大功率LED做點(diǎn)光源，用專用的LED控制芯片代替復(fù)雜的單片機(jī)電路的可調(diào)光源控制電路，實(shí)際使用效果良好，具有體積小、控制簡單、穩(wěn)定性高、壽命長，而且精度高的優(yōu)點(diǎn)。

1 光源系統(tǒng)的組成

大功率LED由于亮度高和壽命長的優(yōu)點(diǎn)，在室內(nèi)外裝飾、特種照明方面已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)采用最常用的3 W LED，光源亮度和穩(wěn)定性都滿足要求。

單星模擬器的光源系統(tǒng)由恒穩(wěn)光源、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械接口及安裝微調(diào)支架系統(tǒng)組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。LED光源輸出不同檔位光強(qiáng)的光線，經(jīng)過一分二(各50%)的分光系統(tǒng)后，其中一部分光進(jìn)入閉環(huán)控制，另一部分光用于后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)，這部分光經(jīng)聚光鏡、濾光片、衰減片后在毛玻璃上匯聚一亮斑，通過星點(diǎn)板上的小孔成為一個點(diǎn)光源。由于小孔位于平行光管的前焦面上，具有不同亮度幅度(用以表征不同星等)的星點(diǎn)經(jīng)平行光管，在聯(lián)接的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的入瞳處產(chǎn)生模擬的無窮遠(yuǎn)平行光，從而實(shí)現(xiàn)對星光的模擬。

2 光源控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為了控制光源的穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用負(fù)反饋電路形成閉環(huán)控制。其原理圖如圖2所示。

工作原理如下:當(dāng)大功率LED的亮度變亮?xí)r，光電二極管接收到的光能量也隨之增大，光電二極管產(chǎn)生的光電流變大，光電放大電路通過一個采樣電阻對該光電流進(jìn)行采樣并通過放大電路將電壓放大，此電壓就是反饋電壓。反饋電壓隨LED亮度同向變化，反饋控制驅(qū)動電路根據(jù)反饋電壓控制輸出使LED電流反向變化，LED亮度朝反向變化。系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)控制，能夠使LED維持在一個已設(shè)定的亮度。

大功率LED控制電路可以分為兩個主要部分:(1)采樣及放大電路，實(shí)現(xiàn)光電流的采樣及電壓放大，并將此電壓反饋給下級控制電路。(2)反饋控制驅(qū)動電路，根據(jù)放大電路反饋的電壓信號調(diào)整輸出給LED兩端的電壓，從而控制LED的亮度。

圖3是采樣及放大電路。光電二極管D2接收到發(fā)光二極管LED發(fā)射的光后，經(jīng)過R9產(chǎn)生微弱的微安級電流，此電流經(jīng)過采樣電阻R9后產(chǎn)生的微小電壓不能直接反饋給下級控制電路。根據(jù)下級電路輸入要求，需將此采樣電壓放大至5 V左右。由于光電二極管產(chǎn)生的電流很小，因此運(yùn)算放大器U3采用高阻型單電源低電壓FET運(yùn)放。其輸入阻抗非常高，適合微弱信號的放大，能將輸入的微弱電壓信號放大到伏級。放大倍數(shù)可通過電阻R6和R10調(diào)整，從而調(diào)整反饋給下一級的電壓Vadj。

圖4所示為反饋控制驅(qū)動電路。其控制芯片采用專門針對大功率LED照明驅(qū)動應(yīng)用的集成電路PT4105。PT4105是一款固定頻率、電壓模式的降壓開關(guān)穩(wěn)壓電路，其輸入電壓范圍寬(6 V～18 V)，內(nèi)含1 A輸出電流能力的功率MOSFET，故3 W(700 mA)的LED驅(qū)動沒有問題，內(nèi)部采用PWM控制，反饋電壓僅為200 mV，具有很高的轉(zhuǎn)換效率，內(nèi)含欠壓鎖定、過熱保護(hù)、限流保護(hù)等功能，應(yīng)用設(shè)計(jì)方便，外圍電路簡單。通過外接的感應(yīng)電阻，PT4105可用作高精度恒流源，采用固定頻率的電壓模式來調(diào)節(jié)LED電流，其200 mV的低反饋電壓可降低功耗和提高效率。

本系統(tǒng)采用PT4105芯片，一是因?yàn)槠淇刂频墓庠捶€(wěn)定性好；二是采用SOIC8封裝，尺寸小，所以整個控制系統(tǒng)可以做得非常小。采用可變直流電壓的方式來調(diào)整LED的電流從而實(shí)現(xiàn)LED的亮度控制。用PT4105實(shí)現(xiàn)單顆3 W大功率LED驅(qū)動方案，采用12 V電源供電，其轉(zhuǎn)換效率可在85%以上。

如圖4所示。當(dāng)大功率LED變亮?xí)r光電二極管D2接收到的光能量變多，產(chǎn)生的光電流變大，使采樣電阻R9上的電壓變大，通過運(yùn)算放大器放大后使反饋電壓Vadj變大，反饋控制驅(qū)動電路根據(jù)此反饋電壓調(diào)整LED的電流使LED電流減少，LED變暗。反之亦然。系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)控制，使LED維持在一個已設(shè)定的亮度。調(diào)節(jié)電位器R6和R10可以預(yù)設(shè)定LED的亮度。由于反饋電壓Vadj在0～5 V的范圍內(nèi)變化，所以R1和R3的選擇應(yīng)該符合R1:R3＝1:24。

通過在負(fù)載通路中串接反饋電阻R4，在負(fù)反饋回路中監(jiān)控反饋電阻上的電壓降并控制占空比，就能得到恒流輸出的電路。所以PT4105的輸出電流即LED實(shí)際的工作電流可由反饋電阻R4確定。正常工作時，PT4105的FB端電壓恒定為VFB值(200 mV)，且輸入電流為0。因此，流過LED的電流與流過R4的電流相等。

根據(jù)式(1)可以計(jì)算出:當(dāng)R4=0.33 Ω且輸入的電流為0時，LED的恒定電流為0.6 A。此電流就是LED實(shí)際工作的最大電流，沒有超過其極限電流0.7 A。

3 實(shí)驗(yàn)

在暗室環(huán)境下，采用微弱光照度計(jì)NDL-300型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。匹配好電阻R6及R10后，使星模擬器輸出平行光的照度與-2等星等一致，即1.6×10-5lx。

在正常溫度下，連續(xù)工作8小時工作，每隔10 min測量一次照度并記錄，則在常溫下LED光源的穩(wěn)定性如圖5所示?？梢娫诖蟛糠謺r間中光源穩(wěn)定在1.6×10-5lx，最大值1.68，最小值1.52，其穩(wěn)定性的誤差≤±5%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過該控制系統(tǒng)，單星模擬器可以對星等進(jìn)行精確的模擬，該光源滿足單星模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

基于大功率LED的可調(diào)穩(wěn)定光源控制電路已成功應(yīng)用到某國防工程項(xiàng)目中，具有精度高、簡單實(shí)用、工作穩(wěn)定、控制精度高的特點(diǎn)，在需要控制光源強(qiáng)度的領(lǐng)域內(nèi)具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

[1]Datasheet of PT4105.www.kingkeyelec.com.

[2]陳中柘，康為民.一種光源閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].光電工程，2004，30(12):111-113.

[3]張文明，王效才，馬屹，等.星敏感器單星模擬光源系統(tǒng)[J].光電工程，1998，25(9):74-78.