一种单星模拟器光源控制系统设计

摘  要： 采用大功率LED做点光源，用专用的LED控制芯片代替单片机电路，设计了一种光源可调的微型闭环控制系统。该系统通过光电接收放大电路将光电流采样成电压放大后反馈给控制驱动电路，控制驱动电路根据此电压信号调整输出给LED两端的电压，从而控制光源的稳定性。
关键词： 大功率LED；PT4105；光源稳定；光源控制；照度
       单星模拟器是星敏感器的主要地面标定设备之一，其作为瞄准系统的一部分，提供一束平行光供星敏感器测量，用来模拟无穷远处的恒星所发出的平行光。为了能在实验室中标定星敏感器，通常提供一个模拟星，星模拟器就是模拟星的设备，它提供相对被测物体无限远的点光源作为模拟星，对其大小、光度(星等值)、光谱特性、色温类型等进行严格模拟，以便对星敏感器的探测能力、空间分辨率等进行地面定标，进而确定星敏感器光轴的空间位置。
     由于过去研制的单星模拟器的控制系统多采用单片机和AD/DA转换器实现，虽然其精度高，但体积大、控制复杂、成本高；由于光源多采用卤钨灯，它不但体积大、而且发热量大、寿命短，长期使用稳定性不够。本文提出了一种采用大功率LED做点光源，用专用的LED控制芯片代替复杂的单片机电路的可调光源控制电路，实际使用效果良好，具有体积小、控制简单、稳定性高、寿命长，而且精度高的优点。
1 光源系统的组成
     大功率LED由于亮度高和寿命长的优点，在室内外装饰、特种照明方面已获得越来越广泛的应用。本系统采用最常用的3 W LED，光源亮度和稳定性都满足要求。
     单星模拟器的光源系统由恒稳光源、光学系统、机械接口及安装微调支架系统组成。其系统结构如图1 所示。LED光源输出不同档位光强的光线，经过一分二（各50%）的分光系统后，其中一部分光进入闭环控制，另一部分光用于后续光学系统，这部分光经聚光镜、滤光片、衰减片后在毛玻璃上汇聚一亮斑，通过星点板上的小孔成为一个点光源。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）的星点经平行光管，在联接的星敏感器光学系统的入瞳处产生模拟的无穷远平行光，从而实现对星光的模拟。
   
   2 光源控制系统的实现
     为了控制光源的稳定性，系统采用负反馈电路形成闭环控制。其原理图如图2所示。
   
       工作原理如下：当大功率LED的亮度变亮时，光电二极管接收到的光能量也随之增大，光电二极管产生的光电流变大，光电放大电路通过一个采样电阻对该光电流进行采样并通过放大电路将电压放大，此电压就是反馈电压。反馈电压随LED亮度同向变化，反馈控制驱动电路根据反馈电压控制输出使LED电流反向变化，LED亮度朝反向变化。系统构成一个闭环控制，能够使LED维持在一个已设定的亮度。
     大功率LED控制电路可以分为两个主要部分：(1)采样及放大电路，实现光电流的采样及电压放大，并将此电压反馈给下级控制电路。(2)反馈控制驱动电路，根据放大电路反馈的电压信号调整输出给LED两端的电压，从而控制LED的亮度。
     图3是采样及放大电路。光电二极管D2接收到发光二极管LED发射的光后，经过R9产生微弱的微安级电流，此电流经过采样电阻R9后产生的微小电压不能直接反馈给下级控制电路。根据下级电路输入要求，需将此采样电压放大至5 V左右。由于光电二极管产生的电流很小，因此运算放大器U3采用高阻型单电源低电压FET运放。其输入阻抗非常高，适合微弱信号的放大，能将输入的微弱电压信号放大到伏级。放大倍数可通过电阻R6和R10调整，从而调整反馈给下一级的电压Vadj。
   
       图4所示为反馈控制驱动电路。其控制芯片采用专门针对大功率LED照明驱动应用的集成电路PT4105。PT4105是一款固定频率、电压模式的降压开关稳压电路，其输入电压范围宽（6 V~18 V），内含1 A输出电流能力的功率MOSFET，故3 W(700 mA)的LED驱动没有问题，内部采用PWM控制，反馈电压仅为200 mV，具有很高的转换效率，内含欠压锁定、过热保护、限流保护等功能，应用设计方便，外围电路简单。通过外接的感应电阻，PT4105可用作高精度恒流源，采用固定频率的电压模式来调节LED电流，其200 mV的低反馈电压可降低功耗和提高效率。
   
       本系统采用PT4105芯片，一是因为其控制的光源稳定性好；二是采用SOIC8封装，尺寸小，所以整个控制系统可以做得非常小。采用可变直流电压的方式来调整LED的电流从而实现LED的亮度控制。用PT4105实现单颗3 W大功率LED驱动方案，采用12 V电源供电，其转换效率可在85％以上。
     如图4所示。当大功率LED变亮时光电二极管D2接收到的光能量变多，产生的光电流变大，使采样电阻R9上的电压变大，通过运算放大器放大后使反馈电压Vadj变大，反馈控制驱动电路根据此反馈电压调整LED的电流使LED电流减少，LED变暗。反之亦然。系统构成一个闭环控制，使LED维持在一个已设定的亮度。调节电位器R6和R10可以预设定LED的亮度。由于反馈电压Vadj在0~5 V的范围内变化，所以R1和R3的选择应该符合R1：R3＝1：24。
     通过在负载通路中串接反馈电阻R4，在负反馈回路中监控反馈电阻上的电压降并控制占空比，就能得到恒流输出的电路。所以PT4105的输出电流即LED实际的工作电流可由反馈电阻R4确定。正常工作时，PT4105的FB端电压恒定为VFB值(200 mV)，且输入电流为0。因此，流过LED的电流与流过R4的电流相等。

     根据式(1)可以计算出：当R4=0.33 Ω且输入的电流为0时，LED的恒定电流为0.6 A。此电流就是LED实际工作的最大电流，没有超过其极限电流0.7 A。
3 实验
     在暗室环境下，采用微弱光照度计NDL-300型进行实验。匹配好电阻R6及R10后，使星模拟器输出平行光的照度与-2等星等一致，即1.6×10-5lx。
     在正常温度下，连续工作8小时工作，每隔10 min测量一次照度并记录，则在常温下LED光源的稳定性如图5所示。可见在大部分时间中光源稳定在1.6×10-5lx，最大值1.68，最小值1.52，其稳定性的误差≤±5%。
   
       实验结果表明，通过该控制系统，单星模拟器可以对星等进行精确的模拟，该光源满足单星模拟器系统设计的要求。
     基于大功率LED的可调稳定光源控制电路已成功应用到某国防工程项目中，具有精度高、简单实用、工作稳定、控制精度高的特点，在需要控制光源强度的领域内具有较强的实用价值。
参考文献
[1] Datasheet of PT4105.www.kingkeyelec.com.
[2] 陈中柘，康为民．一种光源闭环控制系统的设计与实现[J]．光电工程，2004，30(12)：111-113.
[3] 张文明，王效才，马屹，等.星敏感器单星模拟光源系统[J].光电工程，1998，25(9)：74-78.