CN215682685U - 用于空间仪器的气体放电光源控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于空间仪器的气体放电光源控制系统，包括卫星平台、微处理器、DC‑DC转换器、反激式变压器、开关管、整流滤波模块、电流监测模块、电压监测模块和温度监测模块。本实用新型能够对气体放电光源施加恒压恒流双环控制，以消除气体放电光源开启前控制系统的开环状态，使得触发电压值稳定可控；还能够根据不同环境温度或者光源长时间使用老化后所需启辉高压的变化，可以自动调节触发电压值，使气体放电光源在轨可靠地启动。

Description

用于空间仪器的气体放电光源控制系统

技术领域

本实用新型涉及气体放电光源控制技术领域，特别涉及一种用于空间仪器的气体放电光源控制系统。

背景技术

气体放电光源的原理是将两个电极密封在玻壳中，再充入一些特殊气体(氘、氢、氙、汞等)，通过电极放电将气体电离出离子和电子。离子和电子在电场力作用下各自向两个电极运动，离子和电子在运动过程中与更多的原子碰撞，产生出更多的电子和离子。在此过程中，一些原子会被激发到激发态。激发态是一个不稳定的状态，当原子从激发态跃迁回到低能级时，便辐射出光子。在电源激励下，激发和跃迁反复进行实现发光。

目前，对于空间仪器中所使用的气体放电光源，通常采用星上低压二次电源将初始输入电压变换为合适的触发电压阈值，然后施加至光源启辉，在启辉完成后切换至低压恒压工作状态，进行低电压供电；或者在启辉完成后自动切换为恒流工作状态，持续调整光源工作电流以保证光源强度稳定。

如将触发电压切换至低压恒压工作状态，则系统在轨需要通过继电器实现高低电压的切换，继电器元件自身和高低电压的切换均会降低系统的可靠性，并且由高压启辉切换为低压恒压会带来电压波动，低压恒压加在光源两端持续工作产生的发光稳定性相较光源恒流状态的发光稳定性要差很多。

如将触发电压切换至恒流工作状态，对于具有快速响应的环路系统，在光源被激发之前的阶段，系统相当于开环工作，触发电压会持续升高，直到施加至光源启辉，然而，过高的触发电压，会对光源造成损伤。以及，光源在空间不同环境温度下，所需的触发电压不尽相同，较低温度环境下的触发电压通常可达常温触发电压的数倍，并且随着累积使用时间的增长，光源所需的触发电压也会发生变化，目前还无法对光源所需的触发电压进行调节。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种基于恒压恒流双环控制的用于空间仪器的气体放电光源控制系统，可以使触发电压值稳定可控，并能根据环境温度及电源老化程度自动调节触发电压值。

为实现上述目的，本实用新型采用以下具体技术方案：

本实用新型提供的用于空间仪器的气体放电光源控制系统，包括卫星平台、微处理器、DC-DC转换器、反激式变压器、开关管、整流滤波模块、电流监测模块、电压监测模块和温度监测模块；其中，卫星平台用于提供初始输入电压；DC-DC转换器与卫星平台耦接，用于将初始输入电压降至预设工作电压，为微处理器供电；反激式变压器的原边绕组的一端与DC-DC转换器耦接，反激式变压器的原边绕组的另一端与开关管耦接，开关管与微处理器耦接，通过微处理器控制开关管的导通与截止，将原边绕组输入的直流电变为交流电，副边绕组用于对交流电进行升压；整流滤波模块的输入端与反激式变压器的副边绕组耦接，整流滤波模块的输出端与气体放电光源耦接，用于对副边绕组输出的交流电进行整流滤波并输出至气体放电光源，对其进行激励；电流监测模块与微处理器耦接，用于实时监测气体放电光源的电流值，并传输至微处理器；电压监测模块与微处理器耦接，用于实时监测气体放电光源的电压值，并传输至微处理器；温度监测模块与微处理器耦接，用于实时监测当前所处环境的温度值，并传输至微处理器；微处理器与卫星平台连接，用于读取卫星平台的星上时间，并根据星上时间计算气体放电光源累积使用总时间，并结合温度监测模块监测的温度值，查询气体放电光源的触发电压地面标定数据表，设置气体放电光源的当前触发电压值；微处理器还用于读取电压监测模块监测的电压值，并与当前触发电压值做差后进行比例放大和积分，向开关管输出对应频率和占空比的方波信号，构成电压闭环回路；以及，微处理器用于读取电流监测模块监测的电流值，并与预设的光源工作电流值做差后进行比例放大和积分，向开关管输出对应频率和占空比的方波信号，构成电流闭环回路。

优选地，开关管为场效应晶体管，场效应晶体管的栅极与微处理器耦接，场效应晶体管的源极接地，场效应晶体管的漏极与反激式变压器的原边绕组耦接。

优选地，电流监测模块包括金属膜电阻、第一运算放大器和第一A/D转换器，金属膜电阻与气体放电光源串联，第一运算放大器的输入端耦接于金属膜电阻与气体放电光源之间，第一运算放大器的输出端与第一A/D转换器的输入端耦接，第一A/D转换器的输出端与微处理器耦接，金属膜电阻一侧的电压值经第一运算放大器阻抗变换，再经第一A/D转换器转换为数字信号传输至微处理器。

优选地，电压监测模块包括第一分压电阻、第二分压电阻、第二运算放大器和第二A/D转换器，第一分压电阻与第二分压电阻串联后并联在气体放电光源的两端，用于对气体放电光源进行分压，第一分压电阻与第二分压电阻之间的电压值经第二运算放大器阻抗变换，再经第二A/D转换器转换为数字信号传输至微处理器。

优选地，温度监测模块包括基准电压源、第三分压电阻、热敏电阻、第三运算放大器和第三A/D转换器，基准电压源、第三分压电阻、热敏电阻依次串联，第三运算放大器的输入端耦接于第三分压电阻与热敏电阻之间，第三运算放大器的输出端与第三A/D转换器的输入端耦接，第三A/D转换器的输出端与微处理器耦接；第三分压电阻与热敏电阻之间的电压值经第三运算放大器阻抗变换，再经第三A/D转换器转换为数字信号传输至微处理器。

本实用新型能够取得如下技术效果：

1、对气体放电光源施加恒压恒流双环控制，以消除气体放电光源开启前控制系统的开环状态，使得触发电压值稳定可控。

2、控制系统根据不同环境温度或者光源长时间使用老化后所需启辉高压的变化，可以自动调节触发电压值，使气体放电光源在轨可靠地启动。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例提供的用于空间仪器的气体放电光源控制系统的结构示意图；

图2是根据本实用新型实施例提供的反激式变压器、开关管与整流滤波模块的电路结构示意图；

图3是根据本实用新型实施例提供的电压监测模块与电流监测模块的电路结构示意图；

图4是根据本实用新型实施例提供的电流监测模块的电路结构示意图。

其中的附图标记包括：卫星平台1、微处理器2、DC-DC转换器3、反激式变压器4、开关管5、整流滤波模块6、二极管61、电容62、电流监测模块7、金属膜电阻71、电压监测模块8、第一分压电阻81、第二分压电阻82、温度监测模块9、基准电压源91、第三分压电阻92、热敏电阻93、气体放电光源10。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，而不构成对本实用新型的限制。

图1示出了根据本实用新型实施例提供的用于空间仪器的气体放电光源控制系统的结构。

如图1所示，本实用新型实施例提供的用于空间仪器的气体放电光源控制系统，包括：卫星平台1、微处理器2、DC-DC转换器3、反激式变压器4、开关管5、整流滤波模块6、电流监测模块7、电压监测模块8和温度监测模块9；其中，卫星平台1用于提供28V的母线电压作为气体放电光源控制系统的初始输入电压；DC-DC转换器2与卫星平台1耦接，用于将28V初始输入电压降至12V～15V，为反激式变压器4提供工作电压；反激式变压器4的原边绕组的一端与DC-DC转换器3耦接，反激式变压器4的原边绕组的另一端与开关管5耦接，开关管5与微处理器2耦接，通过微处理器2控制开关管5的导通与截止，将反激式变压器4的原边绕组输入的12V～15V直流电压变为交流电，并经副边绕组进行升压；整流滤波模块6的输入端与反激式变压器4的副边绕组耦接，整流滤波模块6的输出端与气体放电光源10耦接，用于对反激式变压器4的副边绕组输出的交流电进行整流滤波变为直流，并输出至气体放电光源10，对气体放电光源10进行激励；电流监测模块7与微处理器2耦接，用于实时监测气体放电光源10的电流值，并传输至微处理器2；电压监测模块8与微处理器2耦接，用于实时监测气体放电光源10的电压值，并传输至微处理器2；温度监测模块9与微处理器2耦接，用于实时监测气体放电光源当前所处环境的温度值，并传输至微处理器2；微处理器2与卫星平台1连接，用于读取卫星平台1的星上时间，并根据星上时间计算气体放电光源累积使用总时间，并结合温度监测模块9监测到的气体放电光源当前所处环境的温度值，查询气体放电光源10的触发电压地面标定数据表，设置气体放电光源10的当前触发电压值；微处理器2还用于读取电压监测模块8监测的电压值，并与设置的当前触发电压值做差后进行比例放大和积分，向开关管5输出对应频率和占空比的方波信号，构成电压闭环回路；以及，微处理器2用于读取电流监测模块7监测的电流值，并与微处理器2内预设的光源工作电流值做差后进行比例放大和积分，向开关管5输出对应频率和占空比的方波信号，构成电流闭环回路。

图2示出了是根据本实用新型实施例提供的反激式变压器、开关管与整流滤波模块的电路结构。

如图2所示，开关管5可以为NPN三极管或PNP三极管。当开关管5为NPN三极管时，NPN三极管的基极与微处理器2耦接，NPN三极管的集电极与反激式变压器4的原边绕组耦接，NPN三极管的发射极接地；当开关管5为PNP三极管时，PNP三极管的基极与微处理器2耦接，PNP三极管的发射极与反激式变压器4的原边绕组耦接，PNP三极管的集电极接地。

在本实用新型的一个示例中，开关管5为场效应晶体管，场效应晶体管的栅极与微处理器2耦接，场效应晶体管的源极接地，场效应晶体管的漏极与反激式变压器4的原边绕组耦接。

整流滤波模块6包括二极管61和电容62，利用二极管61的单向导通和电容62的充放电特性，将能量存储在电容62中，可以根据实际电压需求将整流滤波模块6设计为倍压整流功能。

图3示出了根据本实用新型实施例提供的电压监测模块与电流监测模块的电路结构。

如图3所示，电流监测模7块包括千分之一精度的金属膜电阻71、第一运算放大器(图未示出)和第一A/D转换器(图未示出)，金属膜电阻与气体放电光源10串联，第一运算放大器的输入端耦接于金属膜电阻71与气体放电光源10之间，第一运算放大器的输出端与第一A/D转换器的输入端耦接，第一A/D转换器的输出端与微处理器耦接，读取金属膜电阻71一侧的电压值，经第一运算放大器阻抗变换，再经第一A/D转换器转换为数字信号传输至微处理器2，微处理器2根据该电压值能够换算为电流值，该电流值即为气体放电光源10的电流。

电压监测模块8包括第一分压电阻81、第二分压电阻82、第二运算放大器(图未示出)和第二A/D转换器(图未示出)，第一分压电阻81与第二分压电阻82串联后并联在气体放电光源10的两端，用于对气体放电光源10进行分压，读取第一分压电阻81与第二分压电阻82之间的电压值(高压分压后变为低压)经第二运算放大器阻抗变换，再经第二A/D转换器转换为数字信号传输至微处理器2，微处理器2根据该低压值换算得到高压值，该高压值即为气体放电光源10的电压。

温度监测模块包括基准电压源91、第三分压电阻92、热敏电阻93、第三运算放大器(图未示出)和第三A/D转换器(图未示出)，基准电压源91、第三分压电阻92、热敏电阻93依次串联，第三运算放大器的输入端耦接于第三分压电阻92与热敏电阻93之间，第三运算放大器的输出端与第三A/D转换器的输入端耦接，第三A/D转换器的输出端与微处理器2耦接；读取第三分压电阻92与热敏电阻93之间的电压值，经第三运算放大器阻抗变换，再经第三A/D转换器转换为数字信号传输至微处理器2，微处理器2根据第三分压电阻92与热敏电阻93之间的电压值电压值，换算得到热敏电阻93的阻值，该阻值对应于气体放电光源当前所处环境的温度值。

在本实用新型的一个具体示例中，微处理器2的型号为BM3803，DC-DC转换器2的型号为SMTR2812SF，开关管5的型号为2N6760，A/D转换器的型号为AD677，运算放大器的型号为OP27，热敏电阻MF501、基准电压源91的型号为AD586。

上述内容详细说明了本实用新型实施例提供的用于空间仪器的气体放电光源控制系统的结构及工作原理，用于空间仪器的气体放电光源控制系统的工作流程如下：

步骤S1、微处理器2读取卫星平台1的星上时间，并根据星上时间计算气体放电光源累积使用总时间，并结合温度监测模块9监测的温度值，查询气体放电光源10的触发电压地面标定数据表，设置气体放电光源10的当前触发电压值。

对于不同的环境温度及气体放电光源10长时间使用导致的老化程度，气体放电光源10启辉所需高压的触发电压值不尽相同，所以需要根据当前环境温度及气体放电光源累积使用总时间，设置气体放电光源10的当前触发电压值。

步骤S2、微处理器2读取电压监测模块监测的电压值和电流监测模块监测的电流值，判断电压值和电流值是否均等于0，若均为0，微处理器2触发DC-DC转换器3工作，若电压值和电流值任一存在非0状态，微处理器2不开启DC-DC转换器3，并且向地面报错。

在初始状态下，如果电压监测模块监测的电压值不为0或电流监测模块监测的电流值不为0，表明系统出错，无需触发DC-DC转换器3激励气体放电光源10，并向地面报错。

初始状态下，如果电压监测模块监测的电压值和电流监测模块监测的电流值均为0，表明系统未出错，此时需要触发DC-DC转换器3激励气体放电光源10。

在激励气体放电光源10时，通过反激式变压器4和整流滤波模块6转换后的直流高压电施加到气体放电光源10上，该直流高压电作为触发电压激励气体放电光源10，电压监测模块能够实时监测该触发电压的大小，反馈至微处理器2。

在气体放电光源10被激励后，电流监测模块7能够监测到电流值。

步骤S3、微处理器2将电压监测模块8监测的电压值与步骤S1中设置的当前触发电压值做差得到电压误差信号，然后对该电压误差信号进行比例放大和积分，输出对应频率和占空比(用于调节高低电平的宽度)的方波信号，构成电压闭环回路。

微处理器2将方波信号发生至开关管5，对开关管5的导通与关断进行控制，从而将反激式变压器4的原边绕组输入的直流电变为交流电，经反激式变压器4的副边绕组升压，变为高压交流电，该高压交流电经过整流滤波模块6转换后变为直流高压电对气体放电光源10进行激励。在此过程中，电压监测模块8能够实时监测该触发电压的大小，反馈至微处理器2，微处理器2生成对应的方波信号(对应于电压误差信号)，对开关管5进行控制，实现电压闭环控制，即微处理器2、反激式变压器4、整流滤波模块6、开关管5、电压监测模块8构成电压闭环回路。

步骤S4、在步骤S3中的电压闭环状态下，微处理器2连续读取电流监测模块7监测的电流值，当电流值大于0时，通过微处理器2断开电压闭环回路，并将电流监测模块7监测的电流值与预设在微处理器2内的光源工作电流值做差得到电流误差信号，然后对该电流误差信号进行比例放大和积分，输出对应频率和占空比的方波信号，构成电流闭环回路。

当电流监测模块7监测的电流值大于0时，表明气体放电光源10已被激励，退出电压闭环状态，并根据电流监测模块7实时监测电流大小，反馈至微处理器2，微处理器2生成对应的方波信号(对应于电流误差信号)对开关管5进行控制，实现电流闭环控制，即微处理器2、反激式变压器4、整流滤波模块6、开关管5、电流监测模块7构成电压闭环回路。

步骤S5、在步骤S4中的电流闭环状态下，微处理器2读取电压监测模块8监测的电压值，当电压监测模块8监测的电压值偏离光源正常工作的电压值时，微处理器2退出电流闭环状态，停止控制开关管5，关闭DC-DC转换器3。

当电压监测模块8监测的电压值偏离光源正常工作的电压值时。表明气体放电光源10出现问题，无法正常工作，需要停止控制系统。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本实用新型的具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何根据本实用新型的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于空间仪器的气体放电光源控制系统，其特征在于，包括卫星平台、微处理器、DC-DC转换器、反激式变压器、开关管、整流滤波模块、电流监测模块、电压监测模块和温度监测模块；其中，

所述卫星平台用于提供初始输入电压；

所述DC-DC转换器与所述卫星平台耦接，用于将所述初始输入电压降至预设工作电压，为所述反激式变压器提供工作电压；

所述反激式变压器的原边绕组的一端与所述DC-DC转换器耦接，所述反激式变压器的原边绕组的另一端与所述开关管耦接，所述开关管与所述微处理器耦接，通过所述微处理器控制所述开关管的导通与截止，将所述原边绕组输入的直流电变为交流电，所述反激式变压器的副边绕组用于对交流电进行升压；

所述整流滤波模块的输入端与所述反激式变压器的副边绕组耦接，所述整流滤波模块的输出端与气体放电光源耦接，用于对所述副边绕组输出的交流电进行整流滤波并输出至所述气体放电光源，对其进行激励；

所述电流监测模块与所述微处理器耦接，用于实时监测所述气体放电光源的电流值，并传输至所述微处理器；

所述电压监测模块与所述微处理器耦接，用于实时监测所述气体放电光源的电压值，并传输至所述微处理器；

所述温度监测模块与所述微处理器耦接，用于实时监测所述气体放电光源当前所处环境的温度值，并传输至所述微处理器；

所述微处理器与所述卫星平台连接，用于读取所述卫星平台的星上时间，并根据所述星上时间计算所述气体放电光源累积使用总时间，并结合所述温度监测模块监测的温度值，查询所述气体放电光源的触发电压地面标定数据表，设置所述气体放电光源的当前触发电压值；所述微处理器还用于读取所述电压监测模块实时监测的电压值，并与所述当前触发电压值做差后进行比例放大和积分，向所述开关管输出对应频率和占空比的方波信号，构成电压闭环回路；

以及，所述微处理器用于读取所述电流监测模块实时监测的电流值，并与预设的光源工作电流值做差后进行比例放大和积分，向所述开关管输出对应频率和占空比的方波信号，构成电流闭环回路。

2.如权利要求1所述的用于空间仪器的气体放电光源控制系统，其特征在于，所述开关管为场效应晶体管，所述场效应晶体管的栅极与所述微处理器耦接，所述场效应晶体管的源极接地，所述场效应晶体管的漏极与所述反激式变压器的原边绕组耦接。

3.如权利要求1所述的用于空间仪器的气体放电光源控制系统，其特征在于，所述电流监测模块包括金属膜电阻、第一运算放大器和第一A/D转换器，所述金属膜电阻与所述气体放电光源串联，所述第一运算放大器的输入端耦接于所述所述金属膜电阻与所述气体放电光源之间，所述第一运算放大器的输出端与所述第一A/D转换器的输入端耦接，所述第一A/D转换器的输出端与所述微处理器耦接，所述金属膜电阻一侧的电压值经所述第一运算放大器阻抗变换，再经所述第一A/D转换器转换为数字信号传输至所述微处理器。

4.如权利要求1所述的用于空间仪器的气体放电光源控制系统，其特征在于，所述电压监测模块包括第一分压电阻、第二分压电阻、第二运算放大器和第二A/D转换器，所述第一分压电阻与所述第二分压电阻串联后并联在所述气体放电光源的两端，用于对所述气体放电光源进行分压，所述第一分压电阻与所述第二分压电阻之间的电压值经所述第二运算放大器阻抗变换，再经所述第二A/D转换器转换为数字信号传输至所述微处理器。

5.如权利要求1所述的用于空间仪器的气体放电光源控制系统，其特征在于，所述温度监测模块包括基准电压源、第三分压电阻、热敏电阻、第三运算放大器和第三A/D转换器，所述基准电压源、所述第三分压电阻、所述热敏电阻依次串联，所述第三运算放大器的输入端耦接于所述第三分压电阻与所述热敏电阻之间，所述第三运算放大器的输出端与所述第三A/D转换器的输入端耦接，所述第三A/D转换器的输出端与所述微处理器耦接；所述第三分压电阻与所述热敏电阻之间的电压值经所述第三运算放大器阻抗变换，再经所述第三A/D转换器转换为数字信号传输至所述微处理器。

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