LED 汽車(chē)前照燈的設計方案

這里的表面面積是指從前方看過(guò)來(lái)的發(fā)光面積。而設計一個(gè)實(shí)際的前照燈,為了形成漫射光線(xiàn)及考慮系統其他元件的性能,這個(gè)面積的數值要變成原來(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(chē)前照燈的實(shí)際尺寸,對近光束,LED的亮度至少要提高到目前的2倍,而遠光束就要求提高到3倍。

圖4光源的亮度與汽車(chē)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的標準。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。

為了使系統的最大光強超過(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就太過(guò)龐大而不可能在實(shí)際中應用。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遠光束

我們進(jìn)一步試驗如圖7所示的帶反射器的遠光燈具樣品。圖8顯示了它的光分布情況。3600cd的最大光強是使用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就太過(guò)龐大而無(wú)法實(shí)際應用。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)生遠光的帶反射器的燈具樣品

圖8遠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結的溫度(Tj)不能超過(guò)絕對額定值(Tjmax)。目前Tjmax大約是120℃,通過(guò)下面的計算可以看到,無(wú)法通過(guò)自然風(fēng)冷而達到這一要求。

下例中我們估計了LED的PN結的溫度,從而從熱學(xué)觀(guān)點(diǎn)來(lái)定LED前照燈系統的可行性。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)現燈的自然風(fēng)冷,以魚(yú)鰭狀延伸到燈的外部)周邊溫度:70℃(燈后方的散熱片周?chē)闹苓厹囟?我們簡(jiǎn)化計算模型用以得到整個(gè)平衡的結果計算: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展示了我們設想的未來(lái)的LED頭燈系統,它的光源全部采用LED,能產(chǎn)生遠光束和近光束,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(kāi)口而實(shí)現冷卻。

圖11展示了我們用以驗證工作原理而設計的LED前照燈系統。它可在實(shí)際應用的汽車(chē)上安裝并測試。

LED頭燈的近光束能產(chǎn)生19000cd的光強和500lm的光通量輸出,這對鹵鎢燈前照燈系統來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常有競爭力的數值。我們正在收集關(guān)于用這種燈熱處理的數據。圖12顯示了這種燈的光分布情況,因為采用的是目前LED產(chǎn)品,它并沒(méi)有達到最佳的情況,但它足以證明LED作為汽車(chē)前照燈的潛力。隨著(zhù)LED性能的的優(yōu)化,LED前照燈系統在光分布方面也一定不會(huì )比現有的前照燈系統差。

圖10全部使用LED的汽車(chē)前照燈樣品。

圖11樣品在實(shí)際的汽車(chē)中的應用。

圖12實(shí)際用于汽車(chē)的LED前照燈樣品的光分布。

4結論

現在可用的白光LED雖然已經(jīng)取得了很大的改進(jìn),但仍因其光強度偏低而不能用于商業(yè)汽車(chē)前照燈,并且還存在光學(xué)系統需要進(jìn)一步優(yōu)化的問(wèn)題。盡管現在這種LED前照燈系統仍不可行,但它潛在的優(yōu)勢卻清楚的顯現出來(lái)了。LED亮度和穩定性的提高,消耗費用的下降,燈尺寸的生產(chǎn)工藝進(jìn)步,光學(xué)系統的優(yōu)化,所有的這些問(wèn)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(chē)一定會(huì )在公路上出現。我們相信,美觀(guān)、節能、安全、低耗費的LED汽車(chē)前照燈系統一定能得到普及。