CN201983088U

CN201983088U - 一种小型高稳定单星模拟器光源

Info

Publication number: CN201983088U
Application number: CN2010206857059U
Authority: CN
Inventors: 翁寅生; 谢正茂; 何俊华; 张敏; 齐文博; 王维
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2020-12-29

Abstract

本实用新型提供了一种小型高稳定单星模拟器光源，以解决现有技术中的单星模拟器光源体积大、控制复杂、长期稳定性低且寿命短的问题。该小型高稳定单星模拟器光源，包括LED光源、LED光源控制电路板，所述LED光源的出射光路上设置有分束器，分束器形成的反射光路上设置有LED光信号检测变送单元，分束器形成的透射光路上依次设置有光学聚焦系统、星点板和光学准直镜，所述星点板的小孔位于光学准直系统的前焦面上，光学准直镜的出瞳即作为以平行光出射的单星模拟器光源。该小型高稳定单星模拟器光源体积小、精度高，稳定性高、控制简单。

Description

一种小型高稳定单星模拟器光源

技术领域

本实用新型涉及一种小型高稳定单星模拟器光源。

背景技术

在航天器姿态控制系统中，恒星敏感器(以下简称星敏感器)是航天器中控制精度最高的姿态敏感器之一。星敏感器确定姿态的参照物是恒星，单星模拟器是星敏感器的主要地面标定设备之一，作用是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，以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转换器来实现，虽然其精度高，但其体积大，无法往小型化发展，而且控制复杂，成本偏高；另外由于光源多采用卤钨灯，它体积大、发热量大导致长期稳定性低且寿命短。所以需要寻找一种替代此方案的光源控制方法。

本实用新型提出了一种采用大功率LED做点光源，用小封装尺寸的LED专用控制芯片来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。

实用新型内容

本实用新型为了解决背景技术中存在的上述技术问题，提供一种体积小、稳定性高、寿命长而且精度高的单星模拟器光源。

本实用新型的设计考虑是：该模拟器光源主要包括LED光源、光源控制电路板以及给电路板供电的直流电源。LED光源安装紫铜散热器上，工作时光源经过1:1分光棱镜后一部分光入射到光电二极管形成进入闭环控制；另一部分光经聚光光学系统在星点板的小孔上形成一个点光源。星点板的小孔位于平行光管准直光学系统的前焦面上，故以平行光出射，形成期望的平行光出射的单星模拟器光源。

本实用新型的技术方案如下：

一种小型高稳定单星模拟器光源，包括LED光源、LED光源控制电路板，所述LED光源的出射光路上设置有分束器，分束器形成的反射光路上设置有LED光信号检测变送单元，分束器形成的透射光路上依次设置有光学聚焦系统、星点板和光学准直镜，其中LED光源控制电路板包括直流电源模块、采样放大电路和反馈控制驱动电路，LED光信号检测变送单元的输出端经采样放大电路与反馈控制驱动电路的反馈输入端连接；所述星点板的小孔位于光学准直系统的前焦面上，光学准直镜的出瞳即作为以平行光出射的单星模拟器光源。

上述LED光信号检测变送单元为光电二极管。

上所述分束器为1:1分光棱镜。

上述反馈控制驱动电路的主控芯片采用集成电路PT4105。

上述LED光源安装于紫铜散热器上。

上述LED光源与分束器之间的光路上设置有用以匀光的毛玻璃。

本实用新型实现了单星模拟器光源的精确控制，实现了体积超小、但精度高、寿命长、控制简单而且成本低的技术创新水平。根据实际情况的需要改变反馈电阻，就可以调整光源的亮度，实现不同星等的模拟。这对于体积和精度有要求的单星模拟器来说，提供了一种很好的解决办法。

本实用新型具有以下优点：

1体积小。控制电路的CPU和运算放大器都采用SO-8贴片封装，其它元件也都采用贴片封装，大大减小了电路板尺寸(3W LED、光电接收二极管通过引线引出，不在电路板上)。而且本身3W LED功耗低，靠本身的散热片即可散热，也缩减了光源系统的尺寸，从而缩小了整个星模拟器的尺寸和体积。

2精度高，稳定性高。由于电路采用的是全闭环控制，系统自动进行亮度控制，所以一旦根据实验调整好所需的亮度后，连续24小时工作其模拟星等亮度的稳定性误差可控制在在5％以内。

3控制简单。由于电路采用一只运算放大器、一只主控制芯片和一个电源转换芯片以及一些电阻、电容、电感和二极管就可以构成，不需要额外的AD 和DA转换电路，也不需要软件进行控制。需要调节亮度时，只需要调节相应的电位器即可。

4寿命长。由于大功率LED采用半导体材料，发热量较小，90％电能都转化成光能，一般可以使用50000个小时以上，连续点亮可用7年。

5成本低。控制电路采用的元器件少，而且不需要额外的软件设计，大大减小了开发成本。

6应用范围宽。通过调整两个可调电阻，可以模拟-2，-1.5，-1，-0.5，0，+0.5，+1，+1.5，+2九个星等。

附图说明

图1为本实用新型的光源部分系统结构图；

图2为本实用新型的光学系统总图；

图3为本实用新型的光源控制电路框图；

图4为光源控制电路板的采样及放大电路图；

图5为光源控制电路板的反馈控制驱动电路。

附图标号说明：

1-LED光源，2-毛玻璃，3-分光棱镜，4-光电二极管，5-光学聚焦系统，6-星点板，7-准直镜。

具体实施方式

参见图1、图2，本实用新型包括3W LED光源、光源控制电路板以及给电路板供电的直流电源。LED光源安装紫铜散热器上，经过毛玻璃匀光，工作时光源经过1:1分光棱镜后一部分光入射到光电二极管形成进入闭环控制；另一部分光用于后续光学系统，该部分光经聚光光学系统在星点板的小孔上成为一个点光源。由于小孔位于准直镜的前焦面上，故以平行光出射，可以用于模拟拟无穷远目标，从而实现恒星模拟。通过控制LED的亮度可以精确模拟不同星等的星体。

参见图3，3W LED光源经过采样及电压放大电路将光电二极管上采样的光电流采样成电压放大后反馈给控制驱动电路，控制驱动电路根据反馈来的电压信号来调整输出给LED两端的电压，从而控制光源的稳定性。

光源控制电路板的采样放大电路中，输入电源的正负极一方面接电源转换芯片U2的第3脚和第1脚，另一方面与并联后的滤波电容CP2与钽电容CP1的正负极相连。电源转换芯片U2的第2脚和第4脚短接后与另一对并联的滤波电容CP4和钽电容CP3的正极相连，负极接地。光电二极管D2的负极接电源转换芯片U2的输出脚+5V，正极与采样电阻R9的一端相连后接到运算放大器U3的反向端，采样电阻R9的另一端则直接接地。第一可调电阻R10与滤波电容C8并联后，一端与第二可调电阻R6的一端相连并接到运算放大器U3的同向端，而另一端则接到运算放大器U3的输出端，第二可调电阻R6的另一端直接接地。滤波电容C5接到运算放大器的电源两端。运算放大器U3的输出端加一滤波电容C7，并同时输出给下一级反馈控制驱动电路。参见图4，12V电源经过电源转换芯片U2后转换成5V电源供运算放大器U3使用。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uA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，应将此采样电压放大至5V左右。由于光电二极管的产生的电流很小，因此此处的运算放大器U3应采用高阻型单电源低电压FET运放。其输入阻抗非常高，非常合适微弱信号的放大，它能将输入的微弱电压信号放大到V级。放大倍数可通过电阻R6和R10来调整，从而调整反馈给下一级的电压Vadj。

光源控制电路板的反馈控制驱动电路中，运算放大器U3的输出信号与120K欧姆电阻R1串联后输入到主控芯片U1的第8脚反馈端FB，同时反馈端FB还与5K电阻R3的一端相连。3W LED与钽电容C1并联，其正极经过一串联电感L1后接到主控芯片的6脚FX，负极则一方面与反馈采样电阻R4的一端相连，另一方面还与5K电阻R3的另一端相连。反馈采样电阻R4另一端直接接地。主控芯片U1的第6脚和第7脚之间分别并接二极管D1的负正极。主控芯片U1的第7脚接地，第1脚与第3脚短接后接电源+12V，同时通过串联的电阻R11和电容C2与另一电容C3并联后接地。参见图5，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，它是一款固定频率、电压模式的降压开关稳压电路，其输入电压范围宽(6～18V)，内含1A输出电流能力的功率MOSFET，故3W LED的驱动没有问题，内部采用PWM控制，反馈电压仅为200mV，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，其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200mV的低反馈电压可降低功耗和提高效率。

光源控制电路板上的电源转换芯片采用AMS1117-5.0，运算放大器采用AD820AR，主控芯片采用PT4105，所有电子元件(除了光电二极管外)都采用贴片封装。

从图4和图5中可以看出，当3W 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。

图5电路中某些重要电路参数设定过程如下：

(1)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0～5V的范围内变化，所以R1和R3的选择应该符合R1∶R3＝1∶24。

(2)LED实际的工作电流决定于PT4105的输出电流，它可由反馈电阻R4确定。正常工作时，PT4105的FB端电压恒定为V_FB值(200mV)，且输入电流为0。因此，流过LED的电流与流过R4的电流相等，即

根据此式可以计算出：当R4＝0.33Ω且输入的电流为0时，LED恒定的电流为0.6A。此电流就是LED工作的实际工作的最大电流，没有超过其极限电流0.7A。

本实用新型的主要特点在于，(1)采用少量的元器件和简单的电路就可以实现光源的控制。(2)不需要额外的软件编程。(3)通过实验预先匹配好可调电阻，替换成固定电阻可进一步提高系统的可靠性。

Claims

1.一种小型高稳定单星模拟器光源，其特征在于：包括LED光源、LED光源控制电路板，所述LED光源的出射光路上设置有分束器，分束器形成的反射光路上设置有LED光信号检测变送单元，分束器形成的透射光路上依次设置有光学聚焦系统、星点板和光学准直镜，其中LED光源控制电路板包括直流电源模块、采样放大电路和反馈控制驱动电路，LED光信号检测变送单元的输出端经采样放大电路与反馈控制驱动电路的反馈输入端连接；所述星点板的小孔位于光学准直系统的前焦面上，光学准直镜的出瞳即作为以平行光出射的单星模拟器光源。

2.根据权利要求1所述的小型高稳定单星模拟器光源，其特征在于：所述LED光信号检测变送单元为光电二极管。

3.根据权利要求2所述的小型高稳定单星模拟器光源，其特征在于：所述分束器为1:1分光棱镜。

4.根据权利要求3所述的小型高稳定单星模拟器光源，其特征在于：所述反馈控制驱动电路的主控芯片采用集成电路PT4105。

5.根据权利要求4所述的小型高稳定单星模拟器光源，其特征在于：所述LED光源安装于紫铜散热器上。

6.根据权利要求1至5任一所述的小型高稳定单星模拟器光源，其特征在于：所述LED光源与分束器之间的光路上设置有用以匀光的毛玻璃。