一種單星模擬器光源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 采用大功率LED做點(diǎn)光源，用專(zhuān)用的LED控制芯片代替單片機(jī)電路，設(shè)計(jì)了一種光源可調(diào)的微型閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)光電接收放大電路將光電流采樣成電壓放大后反饋給控制驅(qū)動(dòng)電路，控制驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)此電壓信號(hào)調(diào)整輸出給LED兩端的電壓，從而控制光源的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞： 大功率LED；PT4105；光源穩(wěn)定；光源控制；照度

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(cè)量，用來(lái)模擬無(wú)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(gè)模擬星，星模擬器就是模擬星的設(shè)備，它提供相對(duì)被測(cè)物體無(wú)限遠(yuǎn)的點(diǎn)光源作為模擬星，對(duì)其大小、光度(星等值)、光譜特性、色溫類(lèi)型等進(jìn)行嚴(yán)格模擬，以便對(duì)星敏感器的探測(cè)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(guò)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(zhǎng)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(zhuān)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(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)，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(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，在室內(nèi)外裝飾、特種照明方面已獲得越來(lái)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(mǎn)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(guò)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(guò)星點(diǎn)板上的小孔成為一個(gè)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(wú)窮遠(yuǎn)平行光，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)一個(gè)采樣電阻對(duì)該光電流進(jìn)行采樣并通過(guò)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(dòng)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(gè)閉環(huán)控制，能夠使LED維持在一個(gè)已設(shè)定的亮度。
大功率LED控制電路可以分為兩個(gè)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(jí)控制電路。(2)反饋控制驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)放大電路反饋的電壓信號(hào)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(guò)R9產(chǎn)生微弱的微安級(jí)電流，此電流經(jīng)過(guò)采樣電阻R9后產(chǎn)生的微小電壓不能直接反饋給下級(jí)控制電路。根據(jù)下級(jí)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(hào)的放大，能將輸入的微弱電壓信號(hào)放大到伏級(jí)。放大倍數(shù)可通過(guò)電阻R6和R10調(diào)整，從而調(diào)整反饋給下一級(jí)的電壓Vadj。

圖4所示為反饋控制驅(qū)動(dòng)電路。其控制芯片采用專(zhuān)門(mén)針對(duì)大功率LED照明驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(dòng)沒(méi)有問(wèn)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(guò)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(jiǎn)單。通過(guò)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(lái)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(gè)控制系統(tǒng)可以做得非常小。采用可變直流電壓的方式來(lái)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(dòng)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(guò)運(yùn)算放大器放大后使反饋電壓Vadj變大，反饋控制驅(qū)動(dòng)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(gè)閉環(huán)控制，使LED維持在一個(gè)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(guò)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(shí)，PT4105的FB端電壓恒定為VFB值(200 mV)，且輸入電流為0。因此，流過(guò)LED的電流與流過(guò)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(shí)，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(méi)有超過(guò)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(shí)工作，每隔10 min測(cè)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。可見(jiàn)在大部分時(shí)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(guò)該控制系統(tǒng)，單星模擬器可以對(duì)星等進(jìn)行精確的模擬，該光源滿(mǎn)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(guó)防工程項(xiàng)目中，具有精度高、簡(jiǎn)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。
參考文獻(xiàn)
[1] Datasheet of PT4105..
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