為21世紀的光源,LED吸引著人們密切的關注,但在作為汽車前照燈的實際應用中,對例如系統(tǒng)要求高效率等問題就更必須予以充分考慮。本文討論了作為汽車前照燈使用的LED光源需要達到的性能,并展示了使用LED的下一代汽車白色LED前照燈系統(tǒng)。
引言自上世紀90年代白色LED的出現開始,其亮度增大趨勢是如此之快,以至于我們都把它們視為21世紀的光源?，F在我們使用白色LED作為汽車前照燈的光源,這樣它們的優(yōu)越性就可以得到充分的展示。這種新系統(tǒng)比通常使用的鹵鎢燈要明亮,與HID頭燈的亮度差不多。但是考慮到LED光源特有的優(yōu)越性,比如重量輕、安裝深度小、耗能低、壽命更長、沒有環(huán)境污染等,它們的確更適合作為下一代汽車前照燈系統(tǒng)的光源。此外,白色LED的使用還可以使整個車的設計變得更加靈活?，F在我們正在進行白光LED汽車前照燈的研發(fā)工作,以充分展示它們的優(yōu)越性。
1白光LED的現狀
1.1白光LED的原理
白光LED有幾種不同的工作原理,表1展示了3種典型的原理。表la中的“藍光LED+$熒光粉”型是是白光LED發(fā)展的最高水平,它最有可能被用在第一代LED汽車前照燈系統(tǒng)中。表1b中的“紫外線LED+紅綠藍三色熒光粉”型因其高的顯色指數而最有潛力作為通常的照明系統(tǒng)用燈,但作為前照燈系統(tǒng)使用時還應研究如何克服紫外光對塑料的老化作用。表1c中的“紅綠藍三芯片”型有改變發(fā)光顏色的性能,但它目前仍然不能在前照燈系統(tǒng)中使用,因為很難克服它在使用過程中顏色的改變,這種顏色改變可能來自3種芯片溫度特性的不同,也可能來自不同LED的損耗退化速度。表1白光LED的原理。
1.2光通量
近年來白光LED的光效取得了顯著的進步,2003年早期市場上一些高功率的LED光效己經達到了30lmPW。圖1顯示對高功率LED光效提高的期待。最終LED的光效將達到一個在120～200lmPW之間的極限值。到2005或2006年,其光效就可達到60lmPW,最大功率預計可以達到1～5W,因此一個LED的光通輸出預計能達以60～300lm。
圖1用于汽車前照燈的白光LED的光效。
1.3亮度在通常的照明領域,LED作為熒光燈的替代品,其亮度從來就不是一個問題,只要光通量能不斷增大就可以了。因此LED技術的核心是如何提高光通量而不是提高亮度。但在汽車前照燈系統(tǒng)中,亮度就顯得比光通量重要得多了,其主要原因如下:當今LED的亮度最大是4cdPmm2,這個數值比鹵鎢燈亮度20～25cdPmm2要低得多,而與HID前照燈比就更是低了10倍多。因此,為了設計出合適尺寸的汽車前照燈系統(tǒng),單個LED的輸出亮度必須提高到現在的2～3倍。
更進一步分析可見,使用熒光粉的LED的出射亮度不僅僅決定于芯片的尺寸,同時還決定于與芯片作為一個整體的包含熒光粉的發(fā)光表面的外觀尺寸。
舉個例子來說,同樣是一個面積為1×1mm的芯片,它能發(fā)出30lm的光通量,但是它的亮度卻能在01cdPmm2之間變化,這取決于熒光粉的涂敷方式及部件的封裝方法(如圖2所示)。因此,用于汽車前照燈的LED用熒光粉必須涂敷得盡可能薄,這樣就不會增大光源系統(tǒng)的表面積。
圖2不同結構的LED的亮度。
1.4壽命
通常而言,LED的使用壽命很長。在消費用電子產品中,LED光源的的壽命與產品壽命相比足夠長,據報導一些高功率的LED的壽命能超過10000h,但遺憾的是,這些都是沒有考慮到作為汽車前照燈這一苛刻的工作環(huán)境得到的結果。如果要用于汽車前照燈,LED的壽命必須超過HID光源的3000h,若進一步考慮到替換LED光源的過程難度更大,LED的壽命要求能夠超過10000h。LED光源要想成為汽車前照燈,其壽命仍然有待改進和提高。
2汽車前照燈的實際應用
2.1光學系統(tǒng)
一套LED前照燈系統(tǒng)毫無疑問需要多個LED光源,因為單個LED不能提供足夠的光通量。同時,通常的鹵鎢燈和HID光源,它們發(fā)出的光線會射向除基底外的各個方向,而一般的目前使用的大功率LED發(fā)出的光線因受到結構的限制,只會向半個球的方向發(fā)射。這就使得使用LED的前照燈的光學系統(tǒng)與常規(guī)的前照燈系統(tǒng)不同。但是這兩種前照燈系統(tǒng)對其出射光的要求是一樣的,因此基本上可以使用通常的方法設計使用LED的前照燈系統(tǒng)。
比光學特性不同更重要的是,由于LED光源的低發(fā)熱,LED前照燈系統(tǒng)中與光源相連接的部分可以使用塑料材料,這為設計者的配置設計提供了更大的自由性。同時設計者可以使用塑料導光管,這一點對目前前照燈系統(tǒng)來說是難以實現的。因此,當設計LED前照燈光學系統(tǒng)時,設計者將有更大的選擇空間:不但可以采用傳統(tǒng)的自由構造的反射器件和投射器件,同時可以使用塑料導光管,這就讓設計者能根據不同的條件使用不同的方法以達到美觀性的要求,從而能使汽車前部外形輪廓更趨合理。
2.2光學系統(tǒng)組成成分的精確尺寸定位
因為LED光源和光學系統(tǒng)做得更小,光學元件的相對位置就要求更加精確。以直接投射光學系統(tǒng)為例,圖3顯示了透鏡和LED的相對位置對出射光束的光軸方向的影響。LED前照燈系統(tǒng)包含了大量的光源,對于寬光束分布的遠光束系統(tǒng),透鏡和LED相對位置的影響不會成為問題。而近光束有非常尖銳的截止面,為了達到各個LED單元發(fā)光光軸方向的一致性,前照燈系統(tǒng)的各個組成之間的相對位置就要求非常精確。這種精確的尺度要求遠遠高于通常汽車前照燈的精度,因此LED頭燈系統(tǒng)的制造工藝正期待著創(chuàng)新性的突破。
圖3直接投射光學系統(tǒng)中LED放置位置的影響示意圖。
2.3LED的亮度和頭燈的尺寸
光源的亮度在汽車前照燈系統(tǒng)中顯得格外重要,因為近光束燈要求達到2000～30000cd的光強度,而遠光束燈至少要求達到50000cd的光強。光源在一個給定方向的光強度取決于光源的發(fā)光部分在該方向的亮度,換句話說,取決于光源中許多的小發(fā)光體的亮度的總和。在此小發(fā)光體就是組成光源的眾多LED,光源LED的亮度需要考慮到光線在各個光學部件的反射和傳輸中的衰減。在一個典型的前照燈系統(tǒng)中,光在各個光學元件包括外透鏡在內總的衰減大約是25%～40%。根據物理學的觀點來看,光學元件是不可能放大光源的亮度,因而對光源的亮度的要求就決定了前照燈表面面積的下限了,見圖4所示。
這里的表面面積是指從前方看過來的發(fā)光面積。而設計一個實際的前照燈,為了形成漫射光線及考慮系統(tǒng)其他元件的性能,這個面積的數值要變成原來的2～3倍。如前文所述,目前使用LED最大亮度是4cdPmm2,這顯然是不夠的?？紤]到汽車前照燈的實際尺寸,對近光束,LED的亮度至少要提高到目前的2倍,而遠光束就要求提高到3倍。
圖4光源的亮度與汽車前照燈的最小表面面積的關系。
2.4近光束
為了證明LED前照燈系統(tǒng)的可能性,我們制造了能產生近光的帶反射器的燈具樣品,它的光分布符合美國的標準。圖5展示了這種模具,圖6是它的光分布情況。36lm的光通量和1600cd的最大光強可以通過使用2個LED配合一個38mm×94mm的反射鏡得到,其應用的每個LED功率為1W,亮度是4cdPmm2,光通量是30lm,芯片的尺寸是1mm×1mm。
為了使系統(tǒng)的最大光強超過20000cd,需要使用13個這樣的單元。每個單元的反射面的投影面積是35172cm2,因而13個單元的總投射面積是464136cm2。擁有這樣一個投射面積的頭燈系統(tǒng)就太過龐大而不可能在實際中應用。為了制造一個實用的樣品,LED的亮度至少要增加2倍。
圖5產生近光的帶反射器的燈具樣品。
圖6近光帶反射器的燈具樣品的光分布。
2.5遠光束
我們進一步試驗如圖7所示的帶反射器的遠光燈具樣品。圖8顯示了它的光分布情況。3600cd的最大光強是使用1個LED配合一個半徑為30mm的半圓形反光鏡得到,其應用的每個LED功率為5W,亮度大約是4cdPmm2,光通量是95lm,芯片的尺寸是2mm×2mm。為了使其最大亮度能超過50000cd,需要使用14個這樣的單元,每個單元的反射面的投影面積是28126cm2,因而14個單元的總投射面積是395164cm2。擁有這樣一個投射面積的前照燈系統(tǒng)就太過龐大而無法實際應用。為了制造一個實用的樣品,LED的亮度至少要增加3倍。
圖7產生遠光的帶反射器的燈具樣品
圖8遠光帶反射器的燈具樣品的光分布
2.6LED的最大工作溫度和熱處理
在LED的所有的工作條件下,作為發(fā)光同時也是發(fā)熱的部件———P-N結的溫度(Tj)不能超過絕對額定值(Tjmax)。目前Tjmax大約是120℃,通過下面的計算可以看到,無法通過自然風冷而達到這一要求。
下例中我們估計了LED的PN結的溫度,從而從熱學觀點來定LED前照燈系統(tǒng)的可行性。條件:單個LED輸入功率:PLED=2W總的LED消耗功率:PLAMP=24W(2W×12單元)LED的熱阻:Rthj-hs=15℃PW散熱器熱阻:Rthhs-a=115℃PW(散熱器使用鋁和黑色明礬石制成,體積為400cm3,為了實現燈的自然風冷,以魚鰭狀延伸到燈的外部)周邊溫度:70℃(燈后方的散熱片周圍的周邊溫度)我們簡化計算模型用以得到整個平衡的結果計算:周邊溫度:Ta=70℃(1)散熱器的溫升:dThs=PLAMP×Rthhs-a=36℃(2)芯片的溫升:dTj=PLED×Rthj-hs=30℃(3)由式(1)(2)(3),我們就能得到PN結的溫度:Tj+Ta+dThs+dTj=70+36+30=136℃在這種條件下Tj超過了120℃,因此必須使用強制冷卻。
圖9LED前照燈的溫度分布。
3前照燈樣品
我們已經生產了前照燈的樣品。圖10展示了我們設想的未來的LED頭燈系統(tǒng),它的光源全部采用LED,能產生遠光束和近光束,并能改變燈傾角的模式。我們通過使空氣進入燈前的開口而實現冷卻。
圖11展示了我們用以驗證工作原理而設計的LED前照燈系統(tǒng)。它可在實際應用的汽車上安裝并測試。
LED頭燈的近光束能產生19000cd的光強和500lm的光通量輸出,這對鹵鎢燈前照燈系統(tǒng)來說是一個非常有競爭力的數值。我們正在收集關于用這種燈熱處理的數據。圖12顯示了這種燈的光分布情況,因為采用的是目前LED產品,它并沒有達到最佳的情況,但它足以證明LED作為汽車前照燈的潛力。隨著LED性能的的優(yōu)化,LED前照燈系統(tǒng)在光分布方面也一定不會比現有的前照燈系統(tǒng)差。
圖10全部使用LED的汽車前照燈樣品。
圖11樣品在實際的汽車中的應用。
圖12實際用于汽車的LED前照燈樣品的光分布。
4結論
現在可用的白光LED雖然已經取得了很大的改進,但仍因其光強度偏低而不能用于商業(yè)汽車前照燈,并且還存在光學系統(tǒng)需要進一步優(yōu)化的問題。盡管現在這種LED前照燈系統(tǒng)仍不可行,但它潛在的優(yōu)勢卻清楚的顯現出來了。LED亮度和穩(wěn)定性的提高,消耗費用的下降,燈尺寸的生產工藝進步,光學系統(tǒng)的優(yōu)化,所有的這些問題有望在不久的將來得到解決,從而使用LED前照燈的汽車一定會在公路上出現。我們相信,美觀、節(jié)能、安全、低耗費的LED汽車前照燈系統(tǒng)一定能得到普及。
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