LED 汽車前照燈的設(shè)計(jì)方案

這里的表面面積是指從前方看過(guò)來(lái)的發(fā)光面積。而設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)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(gè)面積的數(shù)值要變成原來(lái)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(shí)際尺寸,對(duì)近光束,LED的亮度至少要提高到目前的2倍,而遠(yuǎn)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(guān)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(chǎn)生近光的帶反射器的燈具樣品,它的光分布符合美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)。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(qiáng)可以通過(guò)使用2個(gè)LED配合一個(gè)38mm×94mm的反射鏡得到,其應(yīng)用的每個(gè)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(qiáng)超過(guò)20000cd,需要使用13個(gè)這樣的單元。每個(gè)單元的反射面的投影面積是35172cm2,因而13個(gè)單元的總投射面積是464136cm2。擁有這樣一個(gè)投射面積的頭燈系統(tǒng)就太過(guò)龐大而不可能在實(shí)際中應(yīng)用。為了制造一個(gè)實(shí)用的樣品,LED的亮度至少要增加2倍。

圖5產(chǎn)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(yuǎn)光束

我們進(jìn)一步試驗(yàn)如圖7所示的帶反射器的遠(yuǎn)光燈具樣品。圖8顯示了它的光分布情況。3600cd的最大光強(qiáng)是使用1個(gè)LED配合一個(gè)半徑為30mm的半圓形反光鏡得到,其應(yīng)用的每個(gè)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(guò)50000cd,需要使用14個(gè)這樣的單元,每個(gè)單元的反射面的投影面積是28126cm2,因而14個(gè)單元的總投射面積是395164cm2。擁有這樣一個(gè)投射面積的前照燈系統(tǒng)就太過(guò)龐大而無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。為了制造一個(gè)實(shí)用的樣品,LED的亮度至少要增加3倍。

圖7產(chǎn)生遠(yuǎn)光的帶反射器的燈具樣品

圖8遠(yuǎn)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(shí)也是發(fā)熱的部件———P-N結(jié)的溫度(Tj)不能超過(guò)絕對(duì)額定值(Tjmax)。目前Tjmax大約是120℃,通過(guò)下面的計(jì)算可以看到,無(wú)法通過(guò)自然風(fēng)冷而達(dá)到這一要求。

下例中我們估計(jì)了LED的PN結(jié)的溫度,從而從熱學(xué)觀點(diǎn)來(lái)定LED前照燈系統(tǒng)的可行性。條件:單個(gè)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(shí)現(xiàn)燈的自然風(fēng)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(jiǎn)化計(jì)算模型用以得到整個(gè)平衡的結(jié)果計(jì)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(jié)的溫度:Tj+Ta+dThs+dTj=70+36+30=136℃在這種條件下Tj超過(guò)了120℃,因此必須使用強(qiáng)制冷卻。

圖9LED前照燈的溫度分布。

3前照燈樣品

我們已經(jīng)生產(chǎn)了前照燈的樣品。圖10展示了我們?cè)O(shè)想的未來(lái)的LED頭燈系統(tǒng),它的光源全部采用LED,能產(chǎn)生遠(yuǎn)光束和近光束,并能改變燈傾角的模式。我們通過(guò)使空氣進(jìn)入燈前的開口而實(shí)現(xiàn)冷卻。

圖11展示了我們用以驗(yàn)證工作原理而設(shè)計(jì)的LED前照燈系統(tǒng)。它可在實(shí)際應(yīng)用的汽車上安裝并測(cè)試。

LED頭燈的近光束能產(chǎn)生19000cd的光強(qiáng)和500lm的光通量輸出,這對(duì)鹵鎢燈前照燈系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常有競(jìng)爭(zhēng)力的數(shù)值。我們正在收集關(guān)于用這種燈熱處理的數(shù)據(jù)。圖12顯示了這種燈的光分布情況,因?yàn)椴捎玫氖悄壳癓ED產(chǎn)品,它并沒有達(dá)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(huì)比現(xiàn)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(shí)際的汽車中的應(yīng)用。

圖12實(shí)際用于汽車的LED前照燈樣品的光分布。

4結(jié)論

現(xiàn)在可用的白光LED雖然已經(jīng)取得了很大的改進(jìn),但仍因其光強(qiáng)度偏低而不能用于商業(yè)汽車前照燈,并且還存在光學(xué)系統(tǒng)需要進(jìn)一步優(yōu)化的問題。盡管現(xiàn)在這種LED前照燈系統(tǒng)仍不可行,但它潛在的優(yōu)勢(shì)卻清楚的顯現(xiàn)出來(lái)了。LED亮度和穩(wěn)定性的提高,消耗費(fèi)用的下降,燈尺寸的生產(chǎn)工藝進(jìn)步,光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化,所有的這些問題有望在不久的將來(lái)得到解決,從而使用LED前照燈的汽車一定會(huì)在公路上出現(xiàn)。我們相信,美觀、節(jié)能、安全、低耗費(fèi)的LED汽車前照燈系統(tǒng)一定能得到普及。