LED 汽车前照灯的设计方案

这里的表面面积是指从前方看过来的发光面积。而设计一个实际的前照灯,为了形成漫射光线及考虑系统其他元件的性能,这个面积的数值要变成原来的2～3倍。如前文所述,目前使用LED最大亮度是4cdPmm2,这显然是不够的。考虑到汽车前照灯的实际尺寸,对近光束,LED的亮度至少要提高到目前的2倍,而远光束就要求提高到3倍。

图4光源的亮度与汽车前照灯的最小表面面积的关系。

2.4近光束

为了证明LED前照灯系统的可能性,我们制造了能产生近光的带反射器的灯具样品,它的光分布符合美国的标准。图5展示了这种模具,图6是它的光分布情况。36lm的光通量和1600cd的最大光强可以通过使用2个LED配合一个38mm×94mm的反射镜得到,其应用的每个LED功率为1W,亮度是4cdPmm2,光通量是30lm,芯片的尺寸是1mm×1mm。

为了使系统的最大光强超过20000cd,需要使用13个这样的单元。每个单元的反射面的投影面积是35172cm2,因而13个单元的总投射面积是464136cm2。拥有这样一个投射面积的头灯系统就太过庞大而不可能在实际中应用。为了制造一个实用的样品,LED的亮度至少要增加2倍。

图5产生近光的带反射器的灯具样品。

图6近光带反射器的灯具样品的光分布。

2.5远光束

我们进一步试验如图7所示的带反射器的远光灯具样品。图8显示了它的光分布情况。3600cd的最大光强是使用1个LED配合一个半径为30mm的半圆形反光镜得到,其应用的每个LED功率为5W,亮度大约是4cdPmm2,光通量是95lm,芯片的尺寸是2mm×2mm。为了使其最大亮度能超过50000cd,需要使用14个这样的单元,每个单元的反射面的投影面积是28126cm2,因而14个单元的总投射面积是395164cm2。拥有这样一个投射面积的前照灯系统就太过庞大而无法实际应用。为了制造一个实用的样品,LED的亮度至少要增加3倍。

图7产生远光的带反射器的灯具样品

图8远光带反射器的灯具样品的光分布

2.6LED的最大工作温度和热处理

在LED的所有的工作条件下,作为发光同时也是发热的部件———P-N结的温度(Tj)不能超过绝对额定值(Tjmax)。目前Tjmax大约是120℃,通过下面的计算可以看到,无法通过自然风冷而达到这一要求。

下例中我们估计了LED的PN结的温度,从而从热学观点来定LED前照灯系统的可行性。条件:单个LED输入功率:PLED=2W总的LED消耗功率:PLAMP=24W(2W×12单元)LED的热阻:Rthj-hs=15℃PW散热器热阻:Rthhs-a=115℃PW(散热器使用铝和黑色明矾石制成,体积为400cm3,为了实现灯的自然风冷,以鱼鳍状延伸到灯的外部)周边温度:70℃(灯后方的散热片周围的周边温度)我们简化计算模型用以得到整个平衡的结果计算:周边温度:Ta=70℃(1)散热器的温升:dThs=PLAMP×Rthhs-a=36℃(2)芯片的温升:dTj=PLED×Rthj-hs=30℃(3)由式(1)(2)(3),我们就能得到PN结的温度:Tj+Ta+dThs+dTj=70+36+30=136℃在这种条件下Tj超过了120℃,因此必须使用强制冷却。

图9LED前照灯的温度分布。

3前照灯样品

我们已经生产了前照灯的样品。图10展示了我们设想的未来的LED头灯系统,它的光源全部采用LED,能产生远光束和近光束,并能改变灯倾角的模式。我们通过使空气进入灯前的开口而实现冷却。

图11展示了我们用以验证工作原理而设计的LED前照灯系统。它可在实际应用的汽车上安装并测试。

LED头灯的近光束能产生19000cd的光强和500lm的光通量输出,这对卤钨灯前照灯系统来说是一个非常有竞争力的数值。我们正在收集关于用这种灯热处理的数据。图12显示了这种灯的光分布情况,因为采用的是目前LED产品,它并没有达到最佳的情况,但它足以证明LED作为汽车前照灯的潜力。随着LED性能的的优化,LED前照灯系统在光分布方面也一定不会比现有的前照灯系统差。

图10全部使用LED的汽车前照灯样品。

图11样品在实际的汽车中的应用。

图12实际用于汽车的LED前照灯样品的光分布。

4结论

现在可用的白光LED虽然已经取得了很大的改进,但仍因其光强度偏低而不能用于商业汽车前照灯,并且还存在光学系统需要进一步优化的问题。尽管现在这种LED前照灯系统仍不可行,但它潜在的优势却清楚的显现出来了。LED亮度和稳定性的提高,消耗费用的下降,灯尺寸的生产工艺进步,光学系统的优化,所有的这些问题有望在不久的将来得到解决,从而使用LED前照灯的汽车一定会在公路上出现。我们相信,美观、节能、安全、低耗费的LED汽车前照灯系统一定能得到普及。