一種單星模擬器光源控制系統設計

翁寅生，謝正茂，何俊華，翁方煜

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

單星模擬器是星敏感器的主要地面標定設備之一，其作為瞄準系統的一部分，提供一束平行光供星敏感器測量，用來模擬無窮遠處的恒星所發出的平行光。為了能在實驗室中標定星敏感器，通常提供一個模擬星，星模擬器就是模擬星的設備，它提供相對被測物體無限遠的點光源作為模擬星，對其大小、光度(星等值)、光譜特性、色溫類型等進行嚴格模擬，以便對星敏感器的探測能力、空間分辨率等進行地面定標，進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多采用單片機和AD/DA轉換器實現，雖然其精度高，但體積大、控制復雜、成本高；由于光源多采用鹵鎢燈，它不但體積大、而且發熱量大、壽命短，長期使用穩定性不夠。本文提出了一種采用大功率LED做點光源，用專用的LED控制芯片代替復雜的單片機電路的可調光源控制電路，實際使用效果良好，具有體積小、控制簡單、穩定性高、壽命長，而且精度高的優點。

1 光源系統的組成

大功率LED由于亮度高和壽命長的優點，在室內外裝飾、特種照明方面已獲得越來越廣泛的應用。本系統采用最常用的3 W LED，光源亮度和穩定性都滿足要求。

單星模擬器的光源系統由恒穩光源、光學系統、機械接口及安裝微調支架系統組成。其系統結構如圖1所示。LED光源輸出不同檔位光強的光線，經過一分二(各50%)的分光系統后，其中一部分光進入閉環控制，另一部分光用于后續光學系統，這部分光經聚光鏡、濾光片、衰減片后在毛玻璃上匯聚一亮斑，通過星點板上的小孔成為一個點光源。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)的星點經平行光管，在聯接的星敏感器光學系統的入瞳處產生模擬的無窮遠平行光，從而實現對星光的模擬。

2 光源控制系統的實現

為了控制光源的穩定性，系統采用負反饋電路形成閉環控制。其原理圖如圖2所示。

工作原理如下:當大功率LED的亮度變亮時，光電二極管接收到的光能量也隨之增大，光電二極管產生的光電流變大，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，反饋控制驅動電路根據反饋電壓控制輸出使LED電流反向變化，LED亮度朝反向變化。系統構成一個閉環控制，能夠使LED維持在一個已設定的亮度。

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，實現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)反饋控制驅動電路，根據放大電路反饋的電壓信號調整輸出給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接收到發光二極管LED發射的光后，經過R9產生微弱的微安級電流，此電流經過采樣電阻R9后產生的微小電壓不能直接反饋給下級控制電路。根據下級電路輸入要求，需將此采樣電壓放大至5 V左右。由于光電二極管產生的電流很小，因此運算放大器U3采用高阻型單電源低電壓FET運放。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。放大倍數可通過電阻R6和R10調整，從而調整反饋給下一級的電壓Vadj。

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

本系統采用PT4105芯片，一是因為其控制的光源穩定性好；二是采用SOIC8封裝，尺寸小，所以整個控制系統可以做得非常小。采用可變直流電壓的方式來調整LED的電流從而實現LED的亮度控制。用PT4105實現單顆3 W大功率LED驅動方案，采用12 V電源供電，其轉換效率可在85%以上。

如圖4所示。當大功率LED變亮時光電二極管D2接收到的光能量變多，產生的光電流變大，使采樣電阻R9上的電壓變大，通過運算放大器放大后使反饋電壓Vadj變大，反饋控制驅動電路根據此反饋電壓調整LED的電流使LED電流減少，LED變暗。反之亦然。系統構成一個閉環控制，使LED維持在一個已設定的亮度。調節電位器R6和R10可以預設定LED的亮度。由于反饋電壓Vadj在0～5 V的范圍內變化，所以R1和R3的選擇應該符合R1:R3＝1:24。

通過在負載通路中串接反饋電阻R4，在負反饋回路中監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。

根據式(1)可以計算出:當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實際工作的最大電流，沒有超過其極限電流0.7 A。

3 實驗

在暗室環境下，采用微弱光照度計NDL-300型進行實驗。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光源的穩定性如圖5所示。可見在大部分時間中光源穩定在1.6×10-5lx，最大值1.68，最小值1.52，其穩定性的誤差≤±5%。

實驗結果表明，通過該控制系統，單星模擬器可以對星等進行精確的模擬，該光源滿足單星模擬器系統設計的要求。

基于大功率LED的可調穩定光源控制電路已成功應用到某國防工程項目中，具有精度高、簡單實用、工作穩定、控制精度高的特點，在需要控制光源強度的領域內具有較強的實用價值。

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

[2]陳中柘，康為民.一種光源閉環控制系統的設計與實現[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[J].光電工程，1998，25(9):74-78.