淺析發(fā)光二極管（LED）光源在汽車中的應(yīng)用

（新疆石河子公安交通科學(xué)技術(shù)研究所，石河子市，832000） 李士超

近年來隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車的設(shè)計、制造技術(shù)也在日益提高，汽車的功能也在逐漸豐富，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?。但是，駕駛車輛在夜晚或光線不足的情況下發(fā)生的交通事故的可能性非常大，可以占到總交通事故的27%左右，且大部分時候會出現(xiàn)人身危害。所以要在夜間行駛就必須有良好的照明設(shè)施。汽車燈具是從十九世紀80年代開始的，早期汽車照明燈是白熾燈，燈光比較暗，在車輛日益增多、車速不斷提高的形勢下，白熾燈已不能滿足日常的照明需要，所以汽車照明燈又發(fā)展為亮度更高的鹵鎢照燈和高強度氣體放電的氙氣燈。汽車燈具的發(fā)展目前主要有三種，一種是鹵素汽車燈泡，一種是HID汽車燈泡，還有就是新興的LED汽車燈泡。

LED英文單詞的縮寫，主要含義：LED=Light Emitting Diode，意譯是發(fā)光二極管，它主要由支架、銀膠、晶片、金線、環(huán)氧樹脂五種物料所組成，它利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。是一種能夠?qū)⒅苯与娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，其改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場發(fā)光。

1 發(fā)光二極管（LED）結(jié)構(gòu)圖及工作原理

（1）發(fā)光二極管（LED） 結(jié)構(gòu)圖（圖1）所示

圖1 發(fā)光二極管構(gòu)造圖

（2）發(fā)光二極管（LED）工作原理。發(fā)光二極管（LED）的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)

2 汽車LED燈的分類

目前來說LED汽車前大燈照明由于其散熱問題還僅限于近光燈。而相對于功率比較低，發(fā)熱較少的尾燈和內(nèi)部用燈，LED已經(jīng)完全可以勝任及取代?？偟膩碚f，整個汽車尾燈的設(shè)計涉及到光學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)等學(xué)科，如何能夠最大發(fā)揮出光效的同時兼顧不同的形狀、線條，與汽車的完美結(jié)合，都在考驗設(shè)計師的能力。而隨著led技術(shù)的進步，汽車中越來越多的部位燈開始使用由led做成的燈泡了。由于led材料環(huán)保節(jié)能、高效長壽、發(fā)光顏色純等優(yōu)勢，必將會完全取代鹵素燈泡。led車燈已成為一種潮流時尚趨勢。

2.1 外部車燈種類

常見的外部車燈有：前照燈、霧燈、牌照燈、倒車燈、制動燈、轉(zhuǎn)向燈、示位燈、示廓燈、駐車燈和警示燈（圖2）所示。

2.2 內(nèi)部車燈種類

常見內(nèi)部燈具有頂燈、閱讀燈、行李廂燈、門燈、踏步燈、儀表照明燈、工作燈、儀表板警指示燈等。

3 LED的優(yōu)缺點

3.1 優(yōu)點

3.1.1 體積小

LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常小，非常輕。

3.1.2 耗電量低

LED耗電相當?shù)?，直流?qū)動，超低功耗（單管0.03～0.06瓦），電光功率轉(zhuǎn)換接近30%。一般來說LED的工作電壓是2～3.6V，工作電流是0.02～0.03A；這就是說，它消耗的電能不超過0.1W，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能近80%。

3.1.3 使用壽命長

有人稱LED光源為長壽燈。它為固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒有松動的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點，在恰當?shù)碾娏骱碗妷合拢褂脡勖蛇_6萬到10萬小時，比傳統(tǒng)光源壽命長10倍以上。LED被完全封裝在環(huán)氧樹脂里面，比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體內(nèi)也沒有松動的部分，使得LED燈不易損壞。

3.1.4 節(jié)能環(huán)保

LED使用冷發(fā)光技術(shù)，發(fā)熱量比普通照明燈具低很多；LED是由無毒的材料作成，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用。光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，眩光小，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源

3.1.5 多變幻

LED光源可利用紅、綠、藍三基色原理，在計算機技術(shù)控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合，即可產(chǎn)生256×256×256=16 777 216種顏色，形成不同光色的組合變化多端，實現(xiàn)豐富多彩的動態(tài)變化效果及各種圖像。

3.1.6 技術(shù)先進

與傳統(tǒng)光源單調(diào)的發(fā)光效果相比，LED光源是低壓微電子產(chǎn)品。它成功融合了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等，所以亦是數(shù)字信息化產(chǎn)品，是半導(dǎo)體光電器件“高新尖”技術(shù)，具有在線編程、無限升級、靈活多變的特點。

3.2 缺點

（1）LED需要由于單個發(fā)光面比較窄，通常大規(guī)模集成在線路板上，形成一個比較大的發(fā)光源，由此會造成大量熱量積累，有時會擊穿電路板。所以LED燈的散熱一定要好。

（2）沒有形成一個標準模式，各廠家元件無法替換。

（3）目前只有總成替換，成本太大，不利于普及。

（4）由于技術(shù)還待進一步開發(fā)，就目前來說LED的造價還遠遠高出了人們的預(yù)期。

4 LED的缺陷及解決措施

4.1 不一致性帶來的問題及解決方法

理論上LED都是發(fā)光二極管，但是由于材料的純度、工藝和封裝的差異（即使是同一廠家也難避免），實際LED陣列中單個LED的性能是有差異的。這將導(dǎo)致LED的發(fā)光強度與驅(qū)動電流不完全相同，耐過電流能力和發(fā)熱的差異也就自然而然的不同了。因為LED的差異總有一個最先損壞，會使電流增大而損壞其他的LED。這就是不一致性帶的結(jié)果，也是制約其發(fā)展的因素之一。因此，制造商應(yīng)提高LED質(zhì)量，避免較大差異，同時設(shè)計驅(qū)動電路時應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的保護電路，防止上述現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 驅(qū)動電路復(fù)雜的問題及解決方法

首先，在電壓匹配方面，LED不像普通白熾燈泡，可以直接連接220V的交流市電。LED是3.6～4.5V的低電壓驅(qū)動，必須要設(shè)計復(fù)雜的變換電路。其次，在驅(qū)動電流方面，為了保證LED正常工作，要恒流、恒壓電路供電，另加保護電路。這樣電源電路復(fù)雜性和故障率都將升高，從而大大地限制了市場的競爭力與購買群體。因此，設(shè)計時盡量采用專用驅(qū)動芯片，以簡化驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)，增強系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。例如，F(xiàn)AN5608系列、CAT4201、LT3754等芯片，在LED驅(qū)動方面效果良好。

4.3 LED的成本問題

一部車若把照明全部換成LED，內(nèi)、外部大約各需用掉200～300顆LED，和其他照明光源相比，成本顯得相當高。盡管壽命長的優(yōu)勢能彌補其成本高昂的劣勢，但是從總體上來看，其成本仍大大高于其他光源。這是目前LED性能突出但沒有占據(jù)大量市場份額的主要原因。但是各國政府對LED技術(shù)十分重視，每年投入大量資金進行研究，相信這個問題在不遠的將來必會圓滿解決。

5 LED車燈應(yīng)用前景

近年來，LED照明因其節(jié)能、環(huán)保、長壽、低熱、抗震、顯色性好、響應(yīng)快等優(yōu)點越來越受到汽車廠商的青睞，很多高端車型都已采用LED。例如，W12版本的奧迪A8L采用了全LED車燈，單側(cè)頭燈內(nèi)部燈組由22顆白光LED以及22顆黃光LED組成，幾乎覆蓋其60%的面積。一般最常見的LED工作功率都是設(shè)定于30至60毫瓦電能以下。在1999年開始引入了可以在1瓦電力輸入下連續(xù)使用的商業(yè)品級LED。這些LED都以特大的半導(dǎo)體芯片來處理高電能輸入的問題，而那半導(dǎo)體芯片都是固定在金屬鐵片上，以助散熱。在2002年，在市場上開始有5瓦的LED的出現(xiàn)，而其效率大約是每瓦18至22流明。2003年9月，Cree,Inc.公司展示了其新款的藍光LED，在20毫安下達到35%的照明效率。他們亦制造了一款達65流明每瓦的白光LED商品，這是當時市場上最亮的白光LED。在2005年他們展示了一款白光LED原型，在350毫安工作環(huán)境下，創(chuàng)下了每瓦70流明的記錄性效率。LED車燈應(yīng)用之勢不可小覷。目前全球汽車傳統(tǒng)光源照明占整個照明光源總產(chǎn)量的10%左右，車用市場是最被看好的LED照明細分市場。據(jù)業(yè)內(nèi)專家預(yù)計，到2013年，全球約95%的新車將會在尾燈照明中采用LED，LED汽車燈具的市場規(guī)模將形成每年30億元的產(chǎn)值。

6 結(jié)束語

發(fā)光二極管（LED）汽車燈具的設(shè)計包括熱學(xué)、機械、光學(xué)、電路等方面的設(shè)計，主要的有兩種方法：一種是依據(jù)LED 幾何結(jié)構(gòu)建立模型；另外一種是根據(jù)材料表面的特性建立光學(xué)模型，第二種結(jié)果可靠有推廣價值。由于LED成本較高，驅(qū)動技術(shù)比較復(fù)雜，現(xiàn)在還沒有全面廣泛地進入汽車市場。我國已經(jīng)規(guī)定，凡是上高速公路的汽車必須裝設(shè)LED霧燈。未來，隨著LED價格逐漸下降，其車燈模塊必將逐步使用高亮度LED作為光源。自從奧迪第一款加裝LED前燈的車型R8上市以來，國際上如凱迪拉克、寶馬、豐田、奔馳和福特等知名汽車公司都紛紛推出配有五彩繽紛的LED燈具的新款轎車以吸引顧客。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，LED必將在未來幾年內(nèi)廣泛應(yīng)用在汽車市場。整體看，汽車用燈LED化是車燈發(fā)展的一個大趨勢，必將是汽車照明系統(tǒng)發(fā)展史上的一次飛躍。

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