【摘要】 文章介绍了发光二极管(LED)的发光原理、光学热学特性以及LED在汽车信号灯、前照灯系统 中的应用 。

 【主题词】 灯 汽车 应用

      发光二极管 (LED)是继 白炽灯 、卤钨灯和高 强度气体放 电灯 (HID)之后 的第 四代 车用光源。 LED具有体积小、能耗低 、相应快、寿命长等诸多 优点 ，顺应 了未来汽车 向紧凑 、节能 、安全 等方 向 发展的趋势。近年来 ，LED光源在汽车信号灯 系 统中的应用已 日趋 普及 ，并 已成为 中高档汽 车的 标志。随着 白光 LED、大功率 LED技术 的 日趋成 熟 ，LED光源逐步进入前照灯领域。

 1 LED技术

 1．1 LED 的 结构 

      LED是一种固态 的半导体器件 ，它可以直接 把电能转化 为光 能。半 导体 芯片 的核心 是 “PN 结”，也就是在一块本 征半 导体 的两端 ，掺人不同 的杂质 ，分别形成 P型半导体和 N型半导体 。在 PN结上增加相应 的导线 、壳体 、支架等零件形成 LED。LED的内部结构见图 1。 

      (1)芯片(Chip)。LED的芯片其实质就是一 收稿 日期 ：2009—09—10 · 28 · 个 PN结 ，其 内电子与空穴 复合发 出光。芯片是 LED最重要 的发光部 件。其 材料 主要 由砷 、铝 、 镓 、铟 、磷 、氮 、锶元素组成。具体选择何种元素则 是由所需 LED的发光颜色决定。车灯系统中常用 的 芯 片 材 料 有 ：蓝 色— —lnGaN、黄 色— — AlIn． GaP、红色— — AlGaAs。

      (2)封 装 (Lens)。封 装 的就是 将 LED芯 片及 其它一些器件包裹起来 ，起到一定 的防腐、抗震 、 导热作用 ，从而保证芯 片正常 工作 。车灯用 LED 的常用封装材料是有机硅。

      封装除了保护作用以外，对 LED的光线出射 影 响 重大 ，这 主 要 是 由于 封 装 材 料 与空 气 的折 射 率不同。LED芯片的光线输出通常被理解为点光 源，但光线经过两种折射率不 同的材料 ，会发生折 射现象。当入 射角度超过某个极 限值 时，光 线发 生全反射。即 LED只能在特定角度内存在光线输 出。因此 出现 “光线 出射角 ”，它对 LED车灯系统 配光 影 响重大 。封装 的材料 与形状 对 LED的光 线 输出起到至关重要的作用。而个别 LED为了扩大 光线 出射角 ，以及更好地控制光线输出 ，内部增加 了反射碗 。 

      (3)电子驱动 部件。电子驱 动部 件是 指为 LED配备的一块印刷电路板(PCB)。其主要作用 是为 LED芯片提供 电能 ，控 制 LED工作 ，满足相 关电路需要。由于 LED与普 通 的卤钨光 源 以及 HID光源相 比，流 明输 出小 、亮度低 ，为 了满足 车 灯系统的配光要求 ，通常采用 LED群组。此外 ，有 些车灯系统要求用 同一组 LED来 实现多种功 能； 另有一些系统则被要求具有 LED自检功能。 

      (4)散热元件。由 LED本身 的发光原 理决 定 ，LED在整个发光过程 中没有从发热到发光 的 热量转换。但是 LED的芯片以及 PCB在工作时 ， 会有大量的热量产生 ，需要配置相应的散热元件。 

1．2 LED 的特点

 1．2．1 光学特性

      (1)狭窄的发射光谱(10—30nm)。LED的 颜色由 LED芯片材料决定 ，不同的材料在光谱 中 覆盖一定范围的波长 。由此可见 ，采用不 同的芯 片材 料，可使 LED具 有不 用 的发 光颜 色。普通 LED基本 上只发 出单 色光 。 

      (2)白光 LED。随着 LED技术的普及 ，单 色 LED已经在信号灯系统 中被广泛使用 。但是若要 将 LED作为前照灯 、前雾灯系统的光源 ，白光 LED 无疑是关键所在。白光 LED可 以通过组合多种单 色 LED或添加荧光粉 的方法来 实现。白光 LED 大致 有 以下 3种 实现方式 ，见 表 1。 

      (1)蓝光 LED(Blue—Chip)+ 黄 色 荧光 粉 ，目 前最 有可 能被最 为前照 灯光 源的 LED。 

      (2)红绿蓝 三芯 片 LED(RGB-Chips)，由于采 用 R．G—B三色芯片混合色彩 ，可实现全色控制或 者在色坐标 内任何颜色控制。但 由于 3种芯片的 温度特性、老 化特性不 同，需严格准确地控 制其 色．差 .

       (3)紫外 线 LED(UV LED)+ 红绿蓝荧 光 粉 ，UV对材料的光照老化存在一定 的影响 ，尤其 是前大灯的外配光镜普遍采用 PC。

 1．2．2 热量特 性 

       常规使用 的白炙 、卤素灯炮 主要通过点亮灯 丝发光。灯丝在点亮发光 的同时 ，大约有近 70％ 的热辐射，仅有 30％的光输出。 

      对于 LED光源而言 ，没有灯丝从发热到发光 的热量转化 ，因此，LE D通常被理解为“冷光源”。 但由于 LED芯片需要通过 电子部件来驱动 ，而电 子驱动部件在工 作时 ，会产 生较高 的工作温 度。 因此 ，从 LED本身到 LED灯具的设计需要谨慎考 虑散热问题 ，尤其针对高功率 LED。否则容易 出 现光衰老化、LED寿命缩短等问题。

       LED内部热量的转化原理是将 LE D芯片、PCB 工作时产生的热量 ，采用 自然传导对流的方式 ，逐步 传递到周围的环境中，从而降低 LED自身的温度。

       LED在 散热设 计 时 ，通 常会 从 LED 封装 散 热 (采用耐热性能更好的材料，例如 ：硅树脂 )、PCB 散热(采用导热绝缘层 、金属基层等)，增加散热部 件 等几个 方 面来考 虑 。

 1．3 LED 的类 型

       LED可以按照其芯片材料 、制造工艺 、添加荧 光粉的类型等 多种形式分类 。车灯 系统在选用 LE D时 ，主要考虑其功率大小。因此，本文按功率 对 LED进行分 类 。

      (1)中低功率 LED。汽车中主要应用于外部 信号灯系统以及 内部背景灯系统(见表 2)。 

      (2)高功率 LED。汽车 中主要 应用 于前 照 灯 、前雾灯 、日间行车灯(DRL)等系统(表 3)。

       对于大功率 的 LED来说 ，最大的特点就是能 够提供较高 的流 明输 出。因此 ，可用于满足较高 亮度灯具 的配光要求 ，例如前大灯 、前雾 灯 、DRL 等。但高 功率 LED 的芯片 温度很 高 ，为 了避免 LED光衰，在灯具设计时需要考虑 LED的散热 问 题。例如增加铝制电路板 、支架等 ，同时采用驱动 芯片来保证其亮度的稳定。 

2 LED在汽车灯具 系统中的应用

 2．1 LED在 汽 车信号 灯 系统 中的应 用

       LED技术被率先 采用 在汽车信 号灯系统 中。 由于目前采用 LED技术的成本仍然远远高于采用 普通灯泡 ，出于成本控制的考虑 ，各大主机厂还是 主要将 LED应用 在后位置灯 、制动灯 、高位制 动 灯 ，这几个使用频繁且更能体现整车造 型风格 的 功能上。在一些高端 车型上，LED也会被应用 在转向灯 、后雾灯等功能上。

      与普通灯泡相比，单颗 LED的亮度要低太多。 所以 ，为了满足配光要求 ，通常将 LED以群组的形 势应用在车灯系统 中。例 如，某 自主品牌车型尾 灯总成 中使用了 l8颗 LED来实现制动灯功能在 整车造型方面，也恰恰是 LED的特点 ，给设计师们 提供 了更为广阔的发挥空间。 LED信号灯的光学部件 ，与普通灯泡相似 ，主 要也是 由反 射镜 和配光镜 组 成 (如 图 2所示 )。

       LED配光 主要 采用 光形 叠 加 的发 式 。通 常 每一 颗 LED都拥有 自己的反射镜 ，LED发 出的光线经过 反射镜的发射和配光镜 的折射 ，在光屏 的相应 区 域形成光形。每一颗 LED形成的光形在光屏上叠 加后 ，便形成 了满足法规配光要求的光形分布。 

      LED信号灯 的开发流程主要包括：(1)根据 车灯功能以及整车造型要求 ，选用合适 的 LED类 型并确定 LED数量 ；(2)根据造型提供 的配光镜 及饰圈 A面 ，结合所选 LED的光学特点及数量 ， 对配光镜及饰圈 A面提出修改意见 ，同时完成反 射面及 相关配 光花纹 设计 ；(3)根据 LED类 型 ，确 定其焊装工艺 ，同时结合整车电器要求 ，完成 LED 驱动电路设计 ；(4)完成车灯系统各个部件 的结 构设计 ；(5)完成详 细的灯具 配光分析 、耐热 分 析 、工艺可行性分析等；(6)完成初版的 3D数据 ； (7)制作 mockup样灯，对灯具 的配光、点亮效果 、 结构 、工艺等进行进一步的验证 ；(8)锁定并发布 3D及 2D数据 。

 2．2 LED在 汽车前 照灯 系统 中的应 用

       目前 ，汽车前照灯采用 的光源依然 以卤素灯 泡为主。此外 ，HID系统 日趋普及并逐步成 为高 档汽 车 的标 准 配 置。近 几 年 ，以 LED为 光 源 的 前 照 灯 系 统 ，开 始 逐 步 走 出试 验 室 进 入 量 产 阶段 。 2007年 LexusIS600h率先将 LED应用于近光系 统 ；2008AudiR8成为了首款装备有全 LED功能。

      在车灯技术方面，与 LED信号灯系统相同，需 要采用 LED群组并以光形叠加的方式来满足配光 要求 。但 由于远 近光 的配 光 在光 形 、明 暗截 止 线 、 测试点光强等方面的要求相对较高，采用 LED作 为光 源 ，无 疑对 车 灯 系统 的配 光 技 术 提 出 了 极 大 的挑战。其次，采用大功率 LED必须考虑其散热 问题。除了采用增加散热部件外 ，可在前 照灯系 统中增加 内置风扇来帮助散热。另外 ，在电器性 能方面，需要配备 LED控制模块来协调控制各功 能的 LED工作。由于 LED本身属于电子器件 ，外 加前照灯系统中其 它的控制器 、调光 马达等。这 就需 要 考 虑 前 照 灯 内 部 的 电 器 匹 配 、电磁 干 扰 (EMC试验)等相关问题(图 3)。 

2．3 LED 车灯 系统 的优 势

      与传统的卤钨灯及 HID相 比，LED车灯 系统 具 有 以下优势 ： 

     ·布置紧凑。LED体积小 ，可以实现更 为紧 凑的光学设计。节省了车灯系统 的后部空间 ，为 整车布置及相关车身结构设计提供了便利。 

     · 响 应 迅 速。LED 的 点 亮 时 间：Halogen (0．3min以上)>LED (0．001min)，将大大缩短灯具系统点亮时间，提高行车安全性 。
     ·使用寿命长。LED的使用寿命长 ，Halogen(1000h)<HID(2000h)<LED(10000h)，基 本可以使车灯系统达到整车寿命 ，无需更换。
      ·造型 自由。LED常以群组形式出现 ，使得车灯 造型 突破 了必 须 采 用 大 面 积 反 射 碗 的 限 制 。从 而为整 车造型 提供 了更 为 自由的空间 。
      · 环保。LED不含有害物质泵，减少对环境污染 ，从而满足 ELV等法规要求。
      · 节能 。LED 的实 际 光 效 可 以达 到 80％ 以上 ，Halogen(21lm／W)<LED(53lm／W)，以前 照灯近光为例，一般灯泡 消耗功率约 55W，HID系统约 40W，LED前 照灯约 3OW，未来 随着 LED的发展 ，消耗能源将越来越低。