淺析發光二極管（LED）光源在汽車中的應用

（新疆石河子公安交通科學技術研究所，石河子市，832000） 李士超

近年來隨著經濟的快速發展，汽車的設計、制造技術也在日益提高，汽車的功能也在逐漸豐富，汽車已成為人們日常生活中必不可少的一部分。但是，駕駛車輛在夜晚或光線不足的情況下發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人身危害。所以要在夜間行駛就必須有良好的照明設施。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，意譯是發光二極管，它主要由支架、銀膠、晶片、金線、環氧樹脂五種物料所組成，它利用固體半導體芯片作為發光材料，在半導體中通過載流子發生復合放出過剩的能量而引起光子發射，直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。是一種能夠將直接電能轉化為可見光的固態的半導體器件，其改變了白熾燈鎢絲發光與節能燈三基色粉發光的原理，而采用電場發光。

1 發光二極管（LED）結構圖及工作原理

（1）發光二極管（LED） 結構圖（圖1）所示

圖1 發光二極管構造圖

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

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，發熱較少的尾燈和內部用燈，LED已經完全可以勝任及取代。總的來說，整個汽車尾燈的設計涉及到光學、材料學、結構學等學科，如何能夠最大發揮出光效的同時兼顧不同的形狀、線條，與汽車的完美結合，都在考驗設計師的能力。而隨著led技術的進步，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材料環保節能、高效長壽、發光顏色純等優勢，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、轉向燈、示位燈、示廓燈、駐車燈和警示燈（圖2）所示。

2.2 內部車燈種類

常見內部燈具有頂燈、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的優缺點

3.1 優點

3.1.1 體積小

LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環氧樹脂里面，所以它非常小，非常輕。

3.1.2 耗電量低

LED耗電相當低，直流驅動，超低功耗（單管0.03～0.06瓦），電光功率轉換接近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光源節能近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，環氧樹脂封裝，燈體內也沒有松動的部分，不存在燈絲發光易燒、熱沉積、光衰等缺點，在恰當的電流和電壓下，使用壽命可達6萬到10萬小時，比傳統光源壽命長10倍以上。LED被完全封裝在環氧樹脂里面，比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體內也沒有松動的部分，使得LED燈不易損壞。

3.1.4 節能環保

LED使用冷發光技術，發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，在計算機技術控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合，即可產生256×256×256=16 777 216種顏色，形成不同光色的組合變化多端，實現豐富多彩的動態變化效果及各種圖像。

3.1.6 技術先進

與傳統光源單調的發光效果相比，LED光源是低壓微電子產品。它成功融合了計算機技術、網絡通信技術、圖像處理技術、嵌入式控制技術等，所以亦是數字信息化產品，是半導體光電器件“高新尖”技術，具有在線編程、無限升級、靈活多變的特點。

3.2 缺點

（1）LED需要由于單個發光面比較窄，通常大規模集成在線路板上，形成一個比較大的發光源，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）由于技術還待進一步開發，就目前來說LED的造價還遠遠高出了人們的預期。

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。這將導致LED的發光強度與驅動電流不完全相同，耐過電流能力和發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果，也是制約其發展的因素之一。因此，制造商應提高LED質量，避免較大差異，同時設計驅動電路時應設計相應的保護電路，防止上述現象發生。

4.2 驅動電路復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的低電壓驅動，必須要設計復雜的變換電路。其次，在驅動電流方面，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，設計時盡量采用專用驅動芯片，以簡化驅動電路結構，增強系統工作的穩定性。例如，FAN5608系列、CAT4201、LT3754等芯片，在LED驅動方面效果良好。

4.3 LED的成本問題

一部車若把照明全部換成LED，內、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大量市場份額的主要原因。但是各國政府對LED技術十分重視，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車燈應用前景

近年來，LED照明因其節能、環保、長壽、低熱、抗震、顯色性好、響應快等優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，單側頭燈內部燈組由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瓦電力輸入下連續使用的商業品級LED。這些LED都以特大的半導體芯片來處理高電能輸入的問題，而那半導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，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毫安工作環境下，創下了每瓦70流明的記錄性效率。LED車燈應用之勢不可小覷。目前全球汽車傳統光源照明占整個照明光源總產量的10%左右，車用市場是最被看好的LED照明細分市場。據業內專家預計，到2013年，全球約95%的新車將會在尾燈照明中采用LED，LED汽車燈具的市場規模將形成每年30億元的產值。

6 結束語

發光二極管（LED）汽車燈具的設計包括熱學、機械、光學、電路等方面的設計，主要的有兩種方法：一種是依據LED 幾何結構建立模型；另外一種是根據材料表面的特性建立光學模型，第二種結果可靠有推廣價值。由于LED成本較高，驅動技術比較復雜，現在還沒有全面廣泛地進入汽車市場。我國已經規定，凡是上高速公路的汽車必須裝設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。隨著汽車工業的不斷發展，LED必將在未來幾年內廣泛應用在汽車市場。整體看，汽車用燈LED化是車燈發展的一個大趨勢，必將是汽車照明系統發展史上的一次飛躍。

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