專(zhuān)利名稱(chēng)：一種小型高穩(wěn)定單星模擬器光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種小型高穩(wěn)定單星模擬器光源。
背景技術(shù)：
在航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中，恒星敏感器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)星敏感器)是航天器中控制精度最高的姿態(tài)敏感器之一。星敏感器確定姿態(tài)的參照物是恒星，單星模擬器是星敏感器的主要地面標(biāo)定設(shè)備之一，作用是作為瞄準(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)，以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)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然其精度高，但其體積大，無(wú)法往小型化發(fā)展，而且控制復(fù)雜，成本偏高；另外由于光源多采用鹵鎢燈，它體積大、發(fā)熱量大導(dǎo)致長(zhǎng)期穩(wěn)定性低且壽命短。所以需要尋找一種替代此方案的光源控制方法。本實(shí)用新型提出了一種采用大功率LED做點(diǎn)光源，用小封裝尺寸的LED專(zhuān)用控制芯片來(lái)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)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種體積小、穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)而且精度高的單星模擬器光源。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)考慮是該模擬器光源主要包括LED光源、光源控制電路板以及給電路板供電的直流電源。LED光源安裝紫銅散熱器上，工作時(shí)光源經(jīng)過(guò)1 1分光棱鏡后一部分光入射到光電二極管形成進(jìn)入閉環(huán)控制；另一部分光經(jīng)聚光光學(xué)系統(tǒng)在星點(diǎn)板的小孔上形成一個(gè)點(diǎn)光源。星點(diǎn)板的小孔位于平行光管準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的前焦面上，故以平行光出射，形成期望的平行光出射的單星模擬器光源。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種小型高穩(wěn)定單星模擬器光源，包括LED光源、LED光源控制電路板，所述LED 光源的出射光路上設(shè)置有分束器，分束器形成的反射光路上設(shè)置有LED光信號(hào)檢測(cè)變送單元，分束器形成的透射光路上依次設(shè)置有光學(xué)聚焦系統(tǒng)、星點(diǎn)板和光學(xué)準(zhǔn)直鏡，其中LED光源控制電路板包括直流電源模塊、采樣放大電路和反饋控制驅(qū)動(dòng)電路，LED光信號(hào)檢測(cè)變送單元的輸出端經(jīng)采樣放大電路與反饋控制驅(qū)動(dòng)電路的反饋輸入端連接；所述星點(diǎn)板的小孔位于光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)的前焦面上，光學(xué)準(zhǔn)直鏡的出瞳即作為以平行光出射的單星模擬器光源。上述LED光信號(hào)檢測(cè)變送單元為光電二極管。[0010]上所述分束器為1 1分光棱鏡。上述反饋控制驅(qū)動(dòng)電路的主控芯片采用集成電路PT4105。上述LED光源安裝于紫銅散熱器上。上述LED光源與分束器之間的光路上設(shè)置有用以勻光的毛玻璃。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了單星模擬器光源的精確控制，實(shí)現(xiàn)了體積超小、但精度高、壽命長(zhǎng)、控制簡(jiǎn)單而且成本低的技術(shù)創(chuàng)新水平。根據(jù)實(shí)際情況的需要改變反饋電阻，就可以調(diào)整光源的亮度，實(shí)現(xiàn)不同星等的模擬。這對(duì)于體積和精度有要求的單星模擬器來(lái)說(shuō)，提供了一種很好的解決辦法。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1體積小。控制電路的CPU和運(yùn)算放大器都采用S0-8貼片封裝，其它元件也都采用貼片封裝，大大減小了電路板尺寸(3W LED、光電接收二極管通過(guò)引線(xiàn)引出，不在電路板上)。而且本身3W LED功耗低，靠本身的散熱片即可散熱，也縮減了光源系統(tǒng)的尺寸，從而縮小了整個(gè)星模擬器的尺寸和體積。2精度高，穩(wěn)定性高。由于電路采用的是全閉環(huán)控制，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行亮度控制，所以一旦根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整好所需的亮度后，連續(xù)M小時(shí)工作其模擬星等亮度的穩(wěn)定性誤差可控制在在5%以?xún)?nèi)。3控制簡(jiǎn)單。由于電路采用一只運(yùn)算放大器、一只主控制芯片和一個(gè)電源轉(zhuǎn)換芯片以及一些電阻、電容、電感和二極管就可以構(gòu)成，不需要額外的AD和DA轉(zhuǎn)換電路，也不需要軟件進(jìn)行控制。需要調(diào)節(jié)亮度時(shí)，只需要調(diào)節(jié)相應(yīng)的電位器即可。4壽命長(zhǎng)。由于大功率LED采用半導(dǎo)體材料，發(fā)熱量較小，90%電能都轉(zhuǎn)化成光能， 一般可以使用50000個(gè)小時(shí)以上，連續(xù)點(diǎn)亮可用7年。5成本低?？刂齐娐凡捎玫脑骷伲也恍枰~外的軟件設(shè)計(jì)，大大減小了開(kāi)發(fā)成本。6應(yīng)用范圍寬。通過(guò)調(diào)整兩個(gè)可調(diào)電阻，可以模擬-2，-1.5，-l，-0. 5，0，+0. 5，+1， +1. 5，+2九個(gè)星等。

圖1為本實(shí)用新型的光源部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本實(shí)用新型的光學(xué)系統(tǒng)總圖；圖3為本實(shí)用新型的光源控制電路框圖；圖4為光源控制電路板的采樣及放大電路圖；圖5為光源控制電路板的反饋控制驅(qū)動(dòng)電路。附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明I-LED光源，2-毛玻璃，3_分光棱鏡，4_光電二極管，5_光學(xué)聚焦系統(tǒng)，6_星點(diǎn)板， 7-準(zhǔn)直鏡。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1、圖2，本實(shí)用新型包括3W LED光源、光源控制電路板以及給電路板供電的直流電源。LED光源安裝紫銅散熱器上，經(jīng)過(guò)毛玻璃勻光，工作時(shí)光源經(jīng)過(guò)1:1分光棱鏡后一部分光入射到光電二極管形成進(jìn)入閉環(huán)控制；另一部分光用于后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)，該部分光經(jīng)聚光光學(xué)系統(tǒng)在星點(diǎn)板的小孔上成為一個(gè)點(diǎn)光源。由于小孔位于準(zhǔn)直鏡的前焦面上， 故以平行光出射，可以用于模擬擬無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)恒星模擬。通過(guò)控制LED的亮度可以精確模擬不同星等的星體。參見(jiàn)圖3，3W LED光源經(jīng)過(guò)采樣及電壓放大電路將光電二極管上采樣的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)反饋來(lái)的電壓信號(hào)來(lái)調(diào)整輸出給 LED兩端的電壓，從而控制光源的穩(wěn)定性。光源控制電路板的采樣放大電路中，輸入電源的正負(fù)極一方面接電源轉(zhuǎn)換芯片 U2的第3腳和第1腳，另一方面與并聯(lián)后的濾波電容CP2與鉭電容CPl的正負(fù)極相連。電源轉(zhuǎn)換芯片U2的第2腳和第4腳短接后與另一對(duì)并聯(lián)的濾波電容CP4和鉭電容CP3的正極相連，負(fù)極接地。光電二極管D2的負(fù)極接電源轉(zhuǎn)換芯片U2的輸出腳+5V，正極與采樣電阻 R9的一端相連后接到運(yùn)算放大器U3的反向端，采樣電阻R9的另一端則直接接地。第一可調(diào)電阻RlO與濾波電容C8并聯(lián)后，一端與第二可調(diào)電阻R6的一端相連并接到運(yùn)算放大器 U3的同向端，而另一端則接到運(yùn)算放大器U3的輸出端，第二可調(diào)電阻R6的另一端直接接地。濾波電容C5接到運(yùn)算放大器的電源兩端。運(yùn)算放大器U3的輸出端加一濾波電容C7， 并同時(shí)輸出給下一級(jí)反饋控制驅(qū)動(dòng)電路。參見(jiàn)圖4，12V電源經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)換芯片U2后轉(zhuǎn)換成5V電源供運(yùn)算放大器U3使用。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uA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，應(yīng)將此采樣電壓放大至5V左右。由于光電二極管的產(chǎn)生的電流很小，因此此處的運(yùn)算放大器U3應(yīng)采用高阻型單電源低電壓FET運(yùn)放。其輸入阻抗非常高，非常合適微弱信號(hào)的放大，它能將輸入的微弱電壓信號(hào)放大到V級(jí)。放大倍數(shù)可通過(guò)電阻R6和RlO來(lái)調(diào)整，從而調(diào)整反饋給下一級(jí)的電壓Vadj。光源控制電路板的反饋控制驅(qū)動(dòng)電路中，運(yùn)算放大器U3的輸出信號(hào)與120K歐姆電阻Rl串聯(lián)后輸入到主控芯片Ul的第8腳反饋端FB，同時(shí)反饋端FB還與漲電阻R3的一端相連。3ff LED與鉭電容Cl并聯(lián)，其正極經(jīng)過(guò)一串聯(lián)電感Ll后接到主控芯片的6腳FX，負(fù)極則一方面與反饋采樣電阻R4的一端相連，另一方面還與漲電阻R3的另一端相連。反饋采樣電阻R4另一端直接接地。主控芯片Ul的第6腳和第7腳之間分別并接二極管Dl的負(fù)正極。主控芯片Ul的第7腳接地，第1腳與第3腳短接后接電源+12V，同時(shí)通過(guò)串聯(lián)的電阻Rll和電容C2與另一電容C3并聯(lián)后接地。參見(jiàn)圖5，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，它是一款固定頻率、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 18V)，內(nèi)含IA輸出電流能力的功率M0SFET，故3W LED的驅(qū)動(dòng)沒(méi)有問(wèn)題，內(nèi)部采用PWM控制，反饋電壓僅為200mV，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，其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200mV的低反饋電壓可降低功耗和提高效率。光源控制電路板上的電源轉(zhuǎn)換芯片采用AMS1117-5. 0，運(yùn)算放大器采用AD820AR， 主控芯片采用PT4105，所有電子元件(除了光電二極管外)都采用貼片封裝。從圖4和圖5中可以看出，當(dāng)3W 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
5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。圖5電路中某些重要電路參數(shù)設(shè)定過(guò)程如下(1)調(diào)節(jié)電位器R6和RlO可以預(yù)設(shè)定LED的亮度，由于反饋電壓Vadj在0 5V 的范圍內(nèi)變化，所以Rl和R3的選擇應(yīng)該符合Rl R3 = 1 24。(2)LED實(shí)際的工作電流決定于PT4105的輸出電流，它可由反饋電阻R4確定。正常工作時(shí)，PT4105的FB端電壓恒定為Vfb值QOOmV)，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，SP I·=、=Vfb/R4 = 200/R4(mA)，根據(jù)此式可以計(jì)算出當(dāng) R4 = 0.33 Ω且輸入的電流為0時(shí)，LED恒定的電流為0. 6A。此電流就是LED工作的實(shí)際工作的最大電流，沒(méi)有超過(guò)其極限電流0. 7A。本實(shí)用新型的主要特點(diǎn)在于，(1)采用少量的元器件和簡(jiǎn)單的電路就可以實(shí)現(xiàn)光源的控制。(2)不需要額外的軟件編程。(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)預(yù)先匹配好可調(diào)電阻，替換成固定電阻可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。
權(quán)利要求1.一種小型高穩(wěn)定單星模擬器光源，其特征在于包括LED光源、LED光源控制電路板， 所述LED光源的出射光路上設(shè)置有分束器，分束器形成的反射光路上設(shè)置有LED光信號(hào)檢測(cè)變送單元，分束器形成的透射光路上依次設(shè)置有光學(xué)聚焦系統(tǒng)、星點(diǎn)板和光學(xué)準(zhǔn)直鏡，其中LED光源控制電路板包括直流電源模塊、采樣放大電路和反饋控制驅(qū)動(dòng)電路，LED光信號(hào)檢測(cè)變送單元的輸出端經(jīng)采樣放大電路與反饋控制驅(qū)動(dòng)電路的反饋輸入端連接；所述星點(diǎn)板的小孔位于光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)的前焦面上，光學(xué)準(zhǔn)直鏡的出瞳即作為以平行光出射的單星模擬器光源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型高穩(wěn)定單星模擬器光源，其特征在于所述LED光信號(hào)檢測(cè)變送單元為光電二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小型高穩(wěn)定單星模擬器光源，其特征在于所述分束器為1:1 分光棱鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的小型高穩(wěn)定單星模擬器光源，其特征在于所述反饋控制驅(qū)動(dòng)電路的主控芯片采用集成電路PT4105。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的小型高穩(wěn)定單星模擬器光源，其特征在于所述LED光源安裝于紫銅散熱器上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的小型高穩(wěn)定單星模擬器光源，其特征在于所述LED 光源與分束器之間的光路上設(shè)置有用以勻光的毛玻璃。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種小型高穩(wěn)定單星模擬器光源，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的單星模擬器光源體積大、控制復(fù)雜、長(zhǎng)期穩(wěn)定性低且壽命短的問(wèn)題。該小型高穩(wěn)定單星模擬器光源，包括LED光源、LED光源控制電路板，所述LED光源的出射光路上設(shè)置有分束器，分束器形成的反射光路上設(shè)置有LED光信號(hào)檢測(cè)變送單元，分束器形成的透射光路上依次設(shè)置有光學(xué)聚焦系統(tǒng)、星點(diǎn)板和光學(xué)準(zhǔn)直鏡，所述星點(diǎn)板的小孔位于光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)的前焦面上，光學(xué)準(zhǔn)直鏡的出瞳即作為以平行光出射的單星模擬器光源。該小型高穩(wěn)定單星模擬器光源體積小、精度高，穩(wěn)定性高、控制簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)F21V23/00GK201983088SQ20102068570
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者何俊華, 張敏, 王維, 翁寅生, 謝正茂, 齊文博 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所