LED汽车灯及其应用.pdf

光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 光源与光电系统81LED 汽车灯及其应用吴运铨福州大学至诚学院，福建 福州 350002摘要：随着 LED 技术的不断发展，LED 灯具的光效日益增加，也逐步克服了价格高昂等难题，应用日益广泛。在汽车的发展进程中，汽车灯始终发挥着非常关键的作用，LED 凭借其应用优势在汽车照明领域也得到了普及。对此，文章首先介绍了汽车照明的发展和 LED的相关内容，然后分析了 LED 汽车灯的优势，最后探讨了 LED 汽车灯的具体应用。关键词：LED；汽车灯；汽车照明；照明技术分类号：U463.650 引言LED 寿命长、故障率低，可以极大减少维护成本的投入，LED 还具备电压工作低、电磁强度低、不受机械应力影响、重量轻、工作温度范围宽泛，亮度调整范围更宽的特点1，可以在汽车照明中使用，文章对此展开研究。1 LED 的工作原理和分类1.1 LED 的工作原理LED 即发光二极管，是一种可以直接将电能转化为光能的固体半导体器件2。LED 的核心部分是半导体芯片，其密封于聚砜树脂内，一端连接支架，另一端是负极，连接电源的正极。半导体芯片主要由以空穴为主的 P 区和以电子为主的 N 区两部分组成，当 P区和 N 区连到一起后，便构成了 PN 结。每一个 LED 半导体芯片的两侧都存在不同的电子掺杂，由于浓度的差异，载流子会自发扩散到对侧。空穴带正电荷，电子带负电荷，两种载流子会在边界上融合，进而在边界两侧产生一定的电场，电场方向从 N 到 P。这种内电场的形成阻碍了大多数载流子的扩散，决定了在一定温度下 PN 结的大小3。对 PN 结释加正电压，利用外电场与内电场的相互作用，可以削弱内电场，将空穴的电子能量传播到对侧，从而产生一定的电压。处于较高能态的电子会与空穴中相互结合，部分过剩的电子能量会以光子的形式释放出来，从而将电能转化为光能4。如果对 PN结施加反向电压，由于内部电荷的增加，会进一步抑制大多数载流子的扩散活动，则电路无法接通。值得注意的是，并不是所有的半导体材料都可以用来制作LED，常用于制作 LED 的半导体材料是 GAP（磷化）和 GAASP（磷化）。1.2 LED 的分类根据发光颜色分类：LED 的发光颜色包括红、橙、绿、蓝等颜色，一些 LED 还包含双色或三色芯片。根据有无散射剂和发光颜色的不同，LED 可分为彩色透明、无色透明、彩色散射和无色散射四种5。根据发光强度分类：普通亮度 LED 的发光强度 10 mcd，超亮 LED 的发光强度 100 mcd，而高亮度 LED 的发光强度为 10 100 mcd。根据半值角度分类：高指向型 LED，一般用尖头环氧树脂或金属反射腔包装，不含散射剂。半值角度较小，为 5 20，有很大的方向性，既可用作局部光源，也可和光学探测器组合构成半自动检测装置。标准型 LED，通常用作指示器，半值角度为20 45。散射型 LED，是视角较大的 LED 灯具，半值角度为 45 90或更大，散射剂的量也更大。根据结构分类：LED 可以分为全环氧、金属基环氧、陶瓷基环氧和玻璃等类型。2 汽车照明的发展概况19 世纪 80 年代，第一盏汽车前照灯被研制出来，其以钨丝灯作为主要材料。后来，又生产了卤钨前照灯和高强度气体放电前照灯。开始，汽车上只装设了方便驾驶员在夜晚看清路线的头灯，之后，随着交通流量日渐增加，为了提升驾驶安全性和维持交通秩序，尾灯和其他指示灯也被装设到汽车上。为了应对特殊情况，汽车上还装设了警示灯和雾灯。汽车内的照明作者简介：吴运铨，男，硕士，讲师，研究方向为光电子。文章编号：2096-9317（2023）03-0081-03 光源与光电系统 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明82灯包括仪表板灯、车顶灯、地图灯和油门脚踏灯等，均给驾驶员和乘客带来了非常好的使用体验。随着科技的进步，汽车光源的类型从单一向多样化发展，在追尾或转向时，光源的多样性对于防止碰撞具有重要作用。汽车照明对于保证驾驶员的安全至关重要，有关调查数据指出，在夜晚或自然光照条件不足的情况下，汽车事故发生概率大约为 25%。我国是汽车工业制造强国，在 70 多项强制性技术标准中，关于照明性能的标准就有 25 项。为增加汽车驾驶安全性，技术人员将越来越多的先进技术运用到了汽车照明中。近年来，LED 在汽车照明行业中的应用范围越来越广，LED 不仅给汽车带来现代感，而且具备良好的汽车照明效果6。3 LED 汽车灯的优势3.1 光谱接近太阳光LED 汽车灯的发光光谱接近太阳光的光谱，比传统汽车灯发出的光更容易被路标反射，反射效率也更高，这使得驾驶员可以从较远处看到路标，可以让驾驶员及时发现和记录交通标志上的交通信息，并及时作出决定，从而降低车祸发生的可能性，提高驾驶的安全性7。LED 汽车灯的光线更接近自然光，能改善驾驶员的视觉环境，减少了光源亮度对驾驶员眼睛的影响，避免造成驾驶员眩晕的情况。为了更好地满足驾驶要求，需要调整 LED 汽车灯的光谱的蓝光区域，让驾驶员不会感到不舒服。3.2 节能无污染近年来，随着 LED 技术的不断发展，LED 汽车灯的发光质量越来越高。LED 是冷光源，在发光时直接将热能转化为光能，减少了发光过程中的能源浪费，且不会造成意外烧伤。LED 汽车灯的结构中不含铅、镉等杂质，安全环保，对环境污染小。3.3 快速响应LED 汽车灯的响应时间较短，响应速度比传统汽车灯更快。反应最灵敏的 LED 汽车灯是转向灯和高位刹车灯，这些汽车灯可以用于驾驶时的紧急响应8。如果汽车在高速公路上行驶时遇到紧急情况，可以使用转向灯和高位刹车灯提供非常快的响应，为驾驶员延长 7 m 左右的停车距离，从而给驾驶员足够的反应时间来采取有效措施，减少事故的发生。4 LED 汽车灯的安装方式无论是用于前照灯、组合尾灯还是内饰灯具，LED 汽车灯的安装方式都可以分为以下类型。4.1 直射式直射式 LED 汽车灯安装在汽车的正前方或正后方，需要将 LED 安装在反射面上，朝向正前方或正后方。该种方式构造简洁，容易进行配光，但其照明的视觉上容易被 LED 直射灯干扰。4.2 反射式LED 不直接安装在反射面，可以围绕反射面或上下排列安装，与直射式相比，从汽车灯的前面看不到光源，照明效果很好，没有刺眼的问题。整体安装形式相对自由，但结构相对复杂，对控制精度要求高。4.3 透过式LED 安装在介质的后面或侧面，产生的光通过介质传播，相比于以上两种安装方式，透过式的设计较为复杂，配光效果也难以调节，但是点灯后外形很炫酷，造型上灵活多样9。根据透过材料的类型，透过式可以细分成以下四种方式。4.3.1 光导式LED 产生的光在导光管中充分反射和折射以达到配光效果。导光管分为软导光管和硬导光管两种。其中，软导光管能弯曲，但生产成本高昂。在实际使用过程中，LED 的远端与近端会产生光强差别，可按照光源特点设置硬导光管，通过灯管上的刻度和缺口调节远端和近端的发光强度，使整体亮度均匀。4.3.2 异形光导式也是让 LED 产生的光在同一导光管上进行全反射和折射以达到配光效应，和第一种方式不同的地方是导光管有不同的纵向截面，设计比较独特，但是使用起来很困难，尤其是要保证发光的均匀度。4.3.3 透镜式来自 LED 的光通过透镜传播，允许一个 LED 照亮一个镜头，可用于前照灯的轮廓灯和日间行车灯、后尾灯的后灯。4.3.4 投射式来自 LED 的光通过透镜反射和折射，结构类似于PES 单元。适用于前照灯远光灯的低射纹部分，通过多组大威力 LED 来进行配光。多组 LED 可以依据道路和驾驶状态调节高度，以满足个性化需求。光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 光源与光电系统835 LED 汽车灯的应用5.1 在汽车低照度照明（背光照明）中的应用LED 可以用于汽车低照度照明，这也是目前 LED汽车灯最成熟的应用。汽车内的电子显示屏，包括汽车仪表盘，在过去大多使用白炽灯来进行背光照明，后来也使用冷阴极荧光灯管（CCFL）作为背光源10。随着 LED 技术的进步，LED 汽车灯开始逐渐代替上述光源用于背光照明。目前，从仪表盘到娱乐设备、导航、行程控制和信息中心，几乎随处可见 LED 的身影。LED 用于背光照明时主要有以下三种应用方式。（1）LED 汽车灯可以直接放在 LCD 屏幕的散射层后面，可以采用封装 LED，也可以用细粉密封的 LED管芯。（2）将 LED 产生的光引入光纤束内，在光纤束的辐射层后形成了一条平滑的光薄片，再采用不同方法从薄片中提取光，用于 ICD 屏幕的背光照明。（3）在边光液晶屏幕背光照明中，对 LED 产生的光采用透明和半透明的矩形塑料片进行光导。塑胶片背部有液晶散射膜，或涂有白色反射薄膜，LED 的光线从塑胶片的侧面发射，另一侧面有白色反射薄膜。当多个 LED 用于汽车背光照明时，需要统一灯光色彩的和亮度，确保被照部分亮度均匀，不能有阴影。5.2 在汽车高照度照明中的应用5.2.1 汽车指示灯汽车指示灯主要包括刹车灯、转向灯和尾灯，对照明亮度和色彩均有明确规定。在 20 世纪 80 年代中期，LED 开始用于汽车行业。中国的第一款 LED 汽车灯是桑塔纳 2000 汽车的高位刹车灯，由上海汽车电子工程中心与上海小糸车灯有限公司共同研发，由大众汽车集团中国公司在 2000 年投入生产。在 2004 年的北京车展上，展示了由 4 个 LED 组成的大功率刹车灯，具备汽车车尾指示灯的全部功能，包括前刹车灯、后小灯、转向灯、前雾灯、倒车灯等。2010 年，汽车开始使用 LED 尾灯，包括前倒车灯和牌照灯。到目前为止，除了汽车仪表盘 LCD 的背光灯具，应用最为普遍的 LED 汽车灯是中央高位刹车灯。在欧洲各国和日本，有 80%的汽车都安装了 LED 中央高位刹车灯。5.2.2 汽车前照灯前照灯是指汽车在夜间行车时照亮前方路面的照明装置，是保证汽车安全行驶的重要部件之一。前照灯的照明位置越远，配光效果越好，越能保护汽车驾驶员的安全。汽车前照明一般分为远光灯和近光灯，其中，远光灯一般在没有其他来车的情况下用于汽车高速行驶，远光灯可以照亮距离汽车前方大约 100 m，或者更远距离的路面。（1）采用 LED 新型光源，可以提升汽车前照灯的外形设计和选择的可操作性，LED 的体积小，可以大大缩小头灯和整套灯具的体积。卤钨灯和传统汽车灯的长度都是 30 cm，而很多新型 LED 汽车灯的长度都是 12.5 cm，甚至可以完全颠覆传统汽车灯的长方形设计。（2）LED 汽车灯可以使用模块化设计提升整体造型，给人以新的视觉冲击。采用 LED 的前照灯色彩辨识度比卤钨灯和传统汽车灯高。（3）传统汽车灯只采用单一光源，无法扩宽照亮范围，而 LED 汽车灯有多个光源，可大大扩宽照亮范围。6 结束语LED 凭借其安全性高、节能无污染、使用寿命长、响应时间短、体积小、便于设计等特性，在汽车照明方面获得了日益普遍的应用。步入 21 世纪后，由于LED 技术的快速发展，特别是近年来在光输出和散热等领域取得了一系列重大突破，使得 LED 能够广泛地应用于汽车前照灯，逐渐成为汽车照明领域的主流照明灯具。参考文献1 刘明,侯作勋,高原.高可靠性空间照明设备的设计和实现J.哈尔滨理工大学学报,2022,27(3):105-110.2 高永.有轨电车照明和外部信号灯设计J.城市轨道交通研究,2021,24(S2):108-113.3 李晋闽,刘志强,魏同波,等.中国半导体照明发展综述J.光学学报,2021,41(1):285-297.4 邢海波,张东军.聚碳酸酯在汽车LED前照明系统中的应用现状J.合成树脂及塑料,2020,37(4):96-98,102.5 陈晓霞,张霞,刘荣辉,等.全光谱LED照明用荧光粉发展现状及趋势J.中国工程科学,2020,22(2):71-78.6 张进.新时代汽车光源与照明系统的应用与发展J.光源与照明,2022(5):51-53.7 林金填,曹小兵.LED在