牛明旭 李孝祿 施慧 張遠輝 李運堂
摘 要:設(shè)計了一款基于LED導(dǎo)光條的汽車尾燈。結(jié)合光學(xué)配光要求,利用CATIA進行導(dǎo)光條的結(jié)構(gòu)設(shè)計,利用Cadence進行LED驅(qū)動電路設(shè)計并進行電路模擬,利用TracePro對導(dǎo)光條光源進行光學(xué)分析,最后對設(shè)計的導(dǎo)光條進行了光學(xué)實測。結(jié)果證明該設(shè)計達到了GB5920-2008對車燈的要求。
關(guān)鍵詞:汽車尾燈;LED導(dǎo)光條;CATIA;Cadence;TracePro
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.004
0 引言
近年來,汽車工業(yè)飛速發(fā)展,作為汽車必不可少的功能組件,同時又具有視覺美學(xué)作用的汽車車燈,扮演著較重要的角色?,F(xiàn)有的LED汽車燈具大多光通利用率低、分布面積大、視覺效果不均勻,而光導(dǎo)技術(shù)可擺脫以上因素的制約。本文利用知識集成的思想[1],使用多款軟件集成設(shè)計了一款LED導(dǎo)光條的汽車尾燈。
1 尾燈設(shè)計
1.1 外觀造型設(shè)計
本設(shè)計采用略帶弧度的圓柱直線作為LED導(dǎo)光條的基體,在LED導(dǎo)光條的出光面再加上一層PMMA材質(zhì)的磨砂面,增強其在各個視角上的可視度及視覺舒適性。導(dǎo)光條背面為密集的鋸齒,為了讓光線在導(dǎo)光條里傳播的時候,能有序而均勻的被反射,而不是全部發(fā)生全反射。
1.2 光源位置布置
本次設(shè)計的導(dǎo)光條因曲率較小,不存在光源布置位置影響出光均勻的問題。但考慮到美觀和隱藏光源的因素,將LED光源布置在導(dǎo)光條的右側(cè),這樣能很好地將光源隱藏,達到美觀的視覺效果。
1.3 LED驅(qū)動電路的設(shè)計
汽車蓄電池或者發(fā)電機輸出電壓范圍為10.5-14.5V,電壓波動較大,電流不穩(wěn)定。LED光源LA G6SP在正常工作時的正向電壓為2V左右,電流為140mA,且LED的亮度對電流的波動較為敏感,因此必須對電壓和電路進行限制。本設(shè)計穩(wěn)壓模塊采用NUD4001。
設(shè)計選擇90℃下的Vsense值,即0.6。采用3塊NUD4001輸出端并聯(lián),達到140mA輸出電流的目的。則每塊芯片輸出電流為47mA,因此Rext=0.6/0.047=13Ω,故取Rext=13Ω。
1.4 LED導(dǎo)光條光學(xué)設(shè)計
將LED導(dǎo)光條模型導(dǎo)入TracePro,并與LA G6SP確定好相對位置,一般LED光源出光面與導(dǎo)光條的間距在0.5-1mm左右。
2 仿真與實測
2.1 LED驅(qū)動電路的仿真
LED驅(qū)動電路部分如圖1所示,在汽車電源輸入NUD4001之前加了整流濾波電路消除干擾,有利于輸出電流的穩(wěn)定。
使用Cadence OrCAD Capture自帶的SPice A/D仿真模塊進行仿真。在90℃的溫度下,3個NUD4001驅(qū)動芯片并聯(lián)輸入輸出電壓曲線如圖2所示:
由圖可以看出,隨著輸入電壓從0V到15V不斷上升,其輸出電壓也隨之變化,在輸入電壓達到8.5V時,其輸出電壓開始穩(wěn)定,并一直保持在7.8V。說明NUD4001具有較寬的穩(wěn)壓范圍。
在90℃的溫度下,3個NUD4001驅(qū)動芯片并聯(lián)輸出電流特性曲線如圖3所示。
可以看出,在輸入電壓達到7.3V左右時,其芯片的輸出電流開始穩(wěn)定,并一直保持在150mA左右,與LA G6SP的140mA最佳工作電流很接近。
2.2 LA G6SP仿真
分別在兩個LED的電壓輸入端,兩個LED之間以及輸出端觀察期電壓變化,其電壓波形如圖4所示。
由圖4看出,LED的電壓曲線和NUD4001的輸出電壓曲線走勢一致,在NUD4001的輸出電壓穩(wěn)定之后,LED的壓降也保持穩(wěn)定。
隨著芯片和LED自身發(fā)熱導(dǎo)致溫度升至90度時,LA G6SP的功耗的曲線如圖5。
在90℃下,當(dāng)芯片的輸入電壓達到8.5V時,LA G6SP的功耗達到最大穩(wěn)定值450mW左右。
2.3 整體功耗仿真與實測
本研究使用測試電源輸出功率的方法間接得到功耗。由于電源是釋放出功率的器件,故在下文的圖表中其功率值為負(fù)值。仿真曲線見圖6。
圖6可以看到,在電壓達到8V之后,隨著電壓繼續(xù)上升,LA G6SP的發(fā)光強度并沒有明顯的變化,在電壓從8V到15V之間,LED的亮度基本沒有變化。
圖7為電源輸出電壓-功率曲線。
由圖7可以看出,在電壓達到8V之前,仿真曲線和實測曲線基本一致。但是到了8V之后,實測曲線并沒有表現(xiàn)出仿真曲線近似的直線性。原因為仿真曲線是在各元件都工作在典型狀態(tài)下,故和真實的工作條件有一定的差別,同時PSpice A/D器件的熱模擬的能力有限,內(nèi)部的元件自帶的溫度數(shù)據(jù)有限,并不能真實的反應(yīng)實際的工作狀態(tài)。
2.4 光學(xué)實測
由于國標(biāo)要求車燈的參數(shù)無法在仿真軟件里測得,必須進行實測,來驗證仿真的結(jié)果是否符合仿真結(jié)果。依據(jù)GB5920-2008,使用遠方光電的G0-HD5標(biāo)準(zhǔn)化暗室對車燈的光通量進行測量。設(shè)置好電壓13.5V,測試距離3.16米,點亮15分鐘后進行第一次測試,第一次測試后繼續(xù)點亮30分鐘,進行第二次測試,結(jié)果數(shù)據(jù)如表1。
從表中可以看出,該后位置燈配光性能滿足國標(biāo)的要求。
3 結(jié)束語
本設(shè)計利用知識集成的思想,從導(dǎo)光條結(jié)構(gòu)設(shè)計、LED驅(qū)動電路的設(shè)計和光學(xué)設(shè)計三個方面展開,使用了CATIA、Cadence OrCAD Capture和TracePro三個主流設(shè)計軟件,并進行了光學(xué)實測。結(jié)果表明,本設(shè)計可以達到國標(biāo)GB5920-2008的要求。
參考文獻:
[1]李孝祿,王文越,王旭,吳霞,張偉.基于知識集成能力的實驗平臺的開發(fā)[J].實驗技術(shù)與管理,2016,33(03):16-19.