浅析发光二极管（LED）光源在汽车中的应用

（新疆石河子公安交通科学技术研究所，石河子市，832000） 李士超

近年来随着经济的快速发展，汽车的设计、制造技术也在日益提高，汽车的功能也在逐渐丰富，汽车已成为人们日常生活中必不可少的一部分。但是，驾驶车辆在夜晚或光线不足的情况下发生的交通事故的可能性非常大，可以占到总交通事故的27%左右，且大部分时候会出现人身危害。所以要在夜间行驶就必须有良好的照明设施。汽车灯具是从十九世纪80年代开始的，早期汽车照明灯是白炽灯，灯光比较暗，在车辆日益增多、车速不断提高的形势下，白炽灯已不能满足日常的照明需要，所以汽车照明灯又发展为亮度更高的卤钨照灯和高强度气体放电的氙气灯。汽车灯具的发展目前主要有三种，一种是卤素汽车灯泡，一种是HID汽车灯泡，还有就是新兴的LED汽车灯泡。

LED英文单词的缩写，主要含义：LED=Light Emitting Diode，意译是发光二极管，它主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成，它利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。是一种能够将直接电能转化为可见光的固态的半导体器件，其改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。

1 发光二极管（LED）结构图及工作原理

（1）发光二极管（LED） 结构图（图1）所示

图1 发光二极管构造图

（2）发光二极管（LED）工作原理。发光二极管（LED）的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关

2 汽车LED灯的分类

目前来说LED汽车前大灯照明由于其散热问题还仅限于近光灯。而相对于功率比较低，发热较少的尾灯和内部用灯，LED已经完全可以胜任及取代。总的来说，整个汽车尾灯的设计涉及到光学、材料学、结构学等学科，如何能够最大发挥出光效的同时兼顾不同的形状、线条，与汽车的完美结合，都在考验设计师的能力。而随着led技术的进步，汽车中越来越多的部位灯开始使用由led做成的灯泡了。由于led材料环保节能、高效长寿、发光颜色纯等优势，必将会完全取代卤素灯泡。led车灯已成为一种潮流时尚趋势。

2.1 外部车灯种类

常见的外部车灯有：前照灯、雾灯、牌照灯、倒车灯、制动灯、转向灯、示位灯、示廓灯、驻车灯和警示灯（图2）所示。

2.2 内部车灯种类

常见内部灯具有顶灯、阅读灯、行李厢灯、门灯、踏步灯、仪表照明灯、工作灯、仪表板警指示灯等。

3 LED的优缺点

3.1 优点

3.1.1 体积小

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。

3.1.2 耗电量低

LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03～0.06瓦），电光功率转换接近30%。一般来说LED的工作电压是2～3.6V，工作电流是0.02～0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能近80%。

3.1.3 使用寿命长

有人称LED光源为长寿灯。它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，使得LED灯不易损坏。

3.1.4 节能环保

LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多；LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源

3.1.5 多变幻

LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256=16 777 216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

3.1.6 技术先进

与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品。它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

3.2 缺点

（1）LED需要由于单个发光面比较窄，通常大规模集成在线路板上，形成一个比较大的发光源，由此会造成大量热量积累，有时会击穿电路板。所以LED灯的散热一定要好。

（2）没有形成一个标准模式，各厂家元件无法替换。

（3）目前只有总成替换，成本太大，不利于普及。

（4）由于技术还待进一步开发，就目前来说LED的造价还远远高出了人们的预期。

4 LED的缺陷及解决措施

4.1 不一致性带来的问题及解决方法

理论上LED都是发光二极管，但是由于材料的纯度、工艺和封装的差异（即使是同一厂家也难避免），实际LED阵列中单个LED的性能是有差异的。这将导致LED的发光强度与驱动电流不完全相同，耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了。因为LED的差异总有一个最先损坏，会使电流增大而损坏其他的LED。这就是不一致性带的结果，也是制约其发展的因素之一。因此，制造商应提高LED质量，避免较大差异，同时设计驱动电路时应设计相应的保护电路，防止上述现象发生。

4.2 驱动电路复杂的问题及解决方法

首先，在电压匹配方面，LED不像普通白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。LED是3.6～4.5V的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路。其次，在驱动电流方面，为了保证LED正常工作，要恒流、恒压电路供电，另加保护电路。这样电源电路复杂性和故障率都将升高，从而大大地限制了市场的竞争力与购买群体。因此，设计时尽量采用专用驱动芯片，以简化驱动电路结构，增强系统工作的稳定性。例如，FAN5608系列、CAT4201、LT3754等芯片，在LED驱动方面效果良好。

4.3 LED的成本问题

一部车若把照明全部换成LED，内、外部大约各需用掉200～300颗LED，和其他照明光源相比，成本显得相当高。尽管寿命长的优势能弥补其成本高昂的劣势，但是从总体上来看，其成本仍大大高于其他光源。这是目前LED性能突出但没有占据大量市场份额的主要原因。但是各国政府对LED技术十分重视，每年投入大量资金进行研究，相信这个问题在不远的将来必会圆满解决。

5 LED车灯应用前景

近年来，LED照明因其节能、环保、长寿、低热、抗震、显色性好、响应快等优点越来越受到汽车厂商的青睐，很多高端车型都已采用LED。例如，W12版本的奥迪A8L采用了全LED车灯，单侧头灯内部灯组由22颗白光LED以及22颗黄光LED组成，几乎覆盖其60%的面积。一般最常见的LED工作功率都是设定于30至60毫瓦电能以下。在1999年开始引入了可以在1瓦电力输入下连续使用的商业品级LED。这些LED都以特大的半导体芯片来处理高电能输入的问题，而那半导体芯片都是固定在金属铁片上，以助散热。在2002年，在市场上开始有5瓦的LED的出现，而其效率大约是每瓦18至22流明。2003年9月，Cree,Inc.公司展示了其新款的蓝光LED，在20毫安下达到35%的照明效率。他们亦制造了一款达65流明每瓦的白光LED商品，这是当时市场上最亮的白光LED。在2005年他们展示了一款白光LED原型，在350毫安工作环境下，创下了每瓦70流明的记录性效率。LED车灯应用之势不可小觑。目前全球汽车传统光源照明占整个照明光源总产量的10%左右，车用市场是最被看好的LED照明细分市场。据业内专家预计，到2013年，全球约95%的新车将会在尾灯照明中采用LED，LED汽车灯具的市场规模将形成每年30亿元的产值。

6 结束语

发光二极管（LED）汽车灯具的设计包括热学、机械、光学、电路等方面的设计，主要的有两种方法：一种是依据LED 几何结构建立模型；另外一种是根据材料表面的特性建立光学模型，第二种结果可靠有推广价值。由于LED成本较高，驱动技术比较复杂，现在还没有全面广泛地进入汽车市场。我国已经规定，凡是上高速公路的汽车必须装设LED雾灯。未来，随着LED价格逐渐下降，其车灯模块必将逐步使用高亮度LED作为光源。自从奥迪第一款加装LED前灯的车型R8上市以来，国际上如凯迪拉克、宝马、丰田、奔驰和福特等知名汽车公司都纷纷推出配有五彩缤纷的LED灯具的新款轿车以吸引顾客。随着汽车工业的不断发展，LED必将在未来几年内广泛应用在汽车市场。整体看，汽车用灯LED化是车灯发展的一个大趋势，必将是汽车照明系统发展史上的一次飞跃。

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