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LED汽车灯具时代来临 用量年增七八成

导读: 汽车灯具随着汽车工业的发展、科学技术的进步、新光源的出现以及人们的审美观等而不断改进,结构越来越复杂、工艺越来越考究、功能越来越完善。现代汽车灯具已经成为一件具有高科技内涵的精美工艺品,是汽车的一双美丽的“大眼睛”。汽车灯具的演变主要经历了四个阶段,而第四代LED汽车光源的出现,对汽车灯具的变革影响

作者:夏冠群 来源:中国半导体照明


  汽车灯具随着汽车工业的发展、科学技术的进步、新光源的出现以及人们的审美观等而不断改进,结构越来越复杂、工艺越来越考究、功能越来越完善。现代汽车灯具已经成为一件具有高科技内涵的精美工艺品,是汽车的一双美丽的“大眼睛”。汽车灯具的演变主要经历了四个阶段,而第四代LED汽车光源的出现,对汽车灯具的变革影响深远。

进入第三代、第四代光源期

   世界上有汽车就有车灯。汽车灯具可分为两大类:照明装置和指示信号装置。照明装置的功能是在黑暗中照亮汽车行驶前方路面,有前照灯、前雾灯、倒车灯和牌照灯,广义可包括车内灯、仪表灯和行李灯等。信号装置的功能是向其他道路使用者表明本车的存在与行驶状态,有转向信号灯、制动灯、位置灯和后雾灯等。有车灯就有车灯规范与标准,为车灯的光源、光色、光强、光形和安装位置等等做出了规定。

   汽车灯具的心脏是光源,汽车灯具的演变随着汽车光源的更迭而发生,大体上经过如下四个阶段:

   第一代汽车光源是由燃料(蜡烛、煤油或乙炔)直接燃烧发光,它能满足早期车灯的要求,但存在发光效率很低、光强弱、性能不稳定、操作复杂等明显缺点。

   第二代汽车光源是白炽灯。1879年爱迪生发明白炽灯,1913年美国首先将白炽灯技术应用在凯迪拉克汽车前照灯上,汽车灯具发生了革命性的变化,从此汽车照明进入了电气时代。接着,先后出现汽车反光镜、启动机、发电机和蓄电池等新技术,1925年开始汽车真正进入白炽灯汽车灯具时代。20世纪50年代又出现卤钨灯,它很快成为汽车强光源的主要灯泡。

   第三代汽车光源是气体放电灯(HID)。它具有高发光效率、高亮度和高可靠性等优点,将替代白炽灯、卤钨灯成为新型的汽车前照灯的光源。

   第四代汽车光源是半导体发光二极管(LED)。LED是半导体PN结二极管,当一个正向偏压施加于PN结两端时,使PN结系统受到激发,载流子由低能态跃迁到高能态,当处于高能态的不稳定载流子回到低能态复合时,根据能量守恒原理,多余的能量将以光子形式释放,它就是LED电致发光原理。它不是通过热能使物体升温而发光,是由电能直接转换为光,因而称之为冷光。发光波长取决于载流子的能量差即高能态与低能态之差。

   LED光源的出现将爆发又一次照明革命,具有划时代意义,它已经并将进一步影响汽车灯具的变革。

   由于半导体技术的发展特别是微电子技术和半导体发光技术日趋完善,促使汽车灯具进入第三代(HID)和第四代(LED)光源时期。同时,出现了由传感器、处理器和执行机构组成的自适应前照灯控制系统(AFS)。HID、LED和AFS新型汽车灯具和灯具控制系统市场出现和形成给电子元器件带来巨大商机。

HID灯加快成为标配

   随着全世界高速公路网的快速延伸,汽车行驶速度提高,为了汽车的安全,对车灯光源的照明光度和使用寿命提出更高要求。

   随着汽车电子化程度的不断提高,汽车用电量的增加,采用节电光源特别是降低前照灯的耗电量已成为当务之急。随着汽车竞争日益激烈,需要一种体积尺寸更小、亮度更强的前照灯来满足更现代、舒适、豪华和环保的新款轿车的不断推出。小型化的HID汽车光源成为首选研发项目。

    1984年菲利普公司率先提出将小型化的HID(High Intensity Discharge)用于汽车前照灯的设想;1988年欧洲实行由七个公司联合研发的EURECA273项目,加速了HID的实用化;1991年在宝马车上首先配装HID前照灯。从此,HID前照灯正逐步代替普通的卤素灯前照灯。目前已有奔驰、宝马、福特、通用、丰田、大众、奇瑞、荣威等多款轿车配置了HID前照灯。随着HID技术的提高,产品价格的下降,将进一步加快HID前照灯成为中、高档轿车的标准配置。

    HID光源主要由氙气灯泡和高压整流器组成,其中高压整流器有近160个电子元件器组成。国产的HID整流器使用的电子元件器80%是进口元件器,占总成本85%以上,这给我国电子元件器产业提供了机遇和挑战。

我国LED汽车灯年增七八成

    LED汽车灯具的基本结构由五部分组成:1.LED阵列;2.反光镜;3.配光镜;4.散热器;5.驱动电路。

    LED汽车灯具的发展直接与LED光源的发展相关联。半导体电致发光现象早在1907年就发现,由于光很弱,批量生产困难而进展缓慢。1968年美国孟山都公司推出光强超过20mcd的GaAsp/GaAs结构的红色LED,以此为突破点,大大加快了LED的发展。接着相继研制出光强达1000mcd的红、黄、绿的LED,在仪表、电信的信号指示上获得了初步的应用,形成了LED早期的应用市场。但由于其光强度、光衰减等性能指标问题还无法在汽车灯具中获得广泛应用。直到1990年美国HP公司、日本东芝公司推出光强超过1000mcd的InGaAlP/GaAs结构的红、黄色高亮度LED和1993年日本日亚公司发明InGaN/Al2O3兰、绿色高亮度LED为标志,从技术上和批量生产上为汽车灯具光源LED化铺平了道路。

    1985年LED汽车信号灯首次出现在客车上,1986年Nissan300zx型汽车上使用LED高位制动灯标志着LED汽车灯具时代正式开始。国际上著名汽车品牌如宝马、凯迪拉克、别克、大众、福特、奔驰、丰田、三菱、马自达和斯柯达等先后推出LED汽车灯具。

    LED汽车照明每年以二位数的速度在增长,2005年产值已达5.46亿美元,占世界LED应用的14%。中国于2000年在上海大众桑塔纳2000型上首先使用LED高位制动灯。我国LED汽车灯具每年以70%-80%的速度在增长,2006年的产值超过亿元。

   目前,国际上LED汽车前照灯处在研发过程之中,已有概念灯具推出,尚无商品。除LED前照灯以外,均已商品化,并已进入车灯的智能化控制时期。我国汽车灯具LED化、智能化水平约与国际水平相差五年。

   未来LED将随着LED质量提高、价格下降,在汽车中获得更广泛的应用。

设计须兼顾两方面

   直接与光学有关的车灯零件主要有光源、反光镜和配光镜三部分,统称灯光组。车灯的光学设计就是车灯的灯光组设计。灯光组的设计首要考虑的原则:一是符合整车厂对车灯总体结构、造型设想;二是达到国家规定的规范和标准的要求。

    LED光源应根据不同灯具对光通量的要求,选用不同功率的LED组成LED阵列。反光镜是为了提高光源的出光率和达到配光性能要求而专门设计的镜子,其作用将光源发出的照射到反射镜上的光通量按一定分布照射出来。配光镜的作用是将反光镜反射出的光分布经过配光镜上的花纹将灯光偏移或散射到需要的位置,以达到配光的要求。

   长期以来,汽车灯具以白炽灯点光源为参照物来决定灯具的灯光设计,并形成相应的软件。灯光的规范和标准也是以此来制订的。LED光源有其自身的特点,LED汽车灯具的设计与制造不能简单套用常规的方法,必须对其设计和制造方法做修改,同时要制定出与LED汽车灯具相适应的规范和标准。为此,要开展相关的研究开发。

汽车LED光源十大优点

    LED光源有如下特点:

   一、单色性好、色彩鲜艳丰富。颜色饱和度达到130%全彩色,使灯光更加清晰柔和。二、寿命长、抗震性好。LED是半导体元件,与白炽灯不同,没有玻璃、钨丝等易损可动部件,故障极低,可以免维修。三、响应时间短,只有60纳秒,特别适合用于汽车灯具的光源,为司机争取了可贵的减小事故的时间。四、高效率、低能耗。LED光源不需要滤色就能直接产生汽车灯具需要的红色、琥珀色等颜色,无损耗,电能利用率高达80%以上。五、体积小、重量轻。利用其特点可设计又薄、又轻、又紧凑的各种式样的灯具,给汽车造型设计提供空间。六、绿色照明光源。LED光谱中单色性好,没有多余红外、紫外等光谱,不含汞有害物质,热量、辐射很少。七、单个LED的光通量小。目前单个LED的光通量研究水平可达120lm/W,产品水平≤60lm/W,而且大功率的LED往往要增加尺寸很大的散热器,所以LED光源一般采用LED阵列设计方法。八、平面发光,方向性强。它与点光源白炽灯不同,视角度≤180°,设计时一定要注意和利用LED光源有不同的视角度和不能大于180°这特点。九、LED的发光效率随温度升高而下降,一般芯片温度超过120℃将失效。在灯具总成设计和制造的工艺设计一定要考虑热设计。十、LED属于多元化合物半导体元件。多元化合物半导体元件的特点是其电学、光学、热学和机械等的参数指标离散性很大。在设计时,一定要充分考虑到这一特点,并要求元件生产公司按汽车用LED光源要求,对元件进行严格分类、分级。

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