【導(dǎo)讀】進(jìn)行了畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯。答辯委員會委員：，，,量也在不斷增加。現(xiàn)代汽車制造技術(shù)與電子技術(shù)、信息技術(shù)日益密切融合在一。汽車已不再是簡單的交通工具，而已成為現(xiàn)代科技的載體。動安全提供了必須的保證。為改善駕駛員的視野、提高對道路上其它交通參與者。其中，Hid前照燈、LED信號燈、前照燈清洗器、白適應(yīng)汽車照明系。本次設(shè)計為淺談汽車照明系，分為六章。在設(shè)計中不僅介紹了照明燈具的有。關(guān)知識及設(shè)計，還從汽車上不同燈具方面做了深入的介紹。合，理論與實(shí)踐結(jié)合起來，從中得到不少收益。

　　

【正文】 與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。當(dāng)給 PN 施加正向電壓，電流從 LED 的陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同的顏色光線，光的強(qiáng)弱與電流大小有關(guān)。 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 22 圖 43發(fā)光二極管構(gòu)造 白光 LED 的原理 白光 LED 有幾種不同的工作原理 ,表 41 展示了 3 種典型的原理。表 la 中的 “ 藍(lán)光 LED + S 熒光粉 ” 型是是白光 LED 發(fā)展的最高水平 ,它最有可能被用在第一代 LED 汽車前 照燈系統(tǒng)中。表 1b 中的 “ 紫外線 LED + 紅綠藍(lán)三色熒光粉 ” 型因其高的顯色指數(shù)而最有潛力作為通常的照明系統(tǒng)用燈 ,但作為前照燈系統(tǒng)使用時還應(yīng)研究如何克服紫外光對塑料的老化作用。表 1c 中的 “ 紅綠藍(lán)三 芯片 ” 型有改變發(fā)光顏色的性能 ,但它目前仍然不能在前照燈系統(tǒng)中使用 ,因?yàn)楹茈y克服它在使用過程中顏色的改變 ,這種顏色改變可能來自 3 種芯片溫度特性的不同 ,也可能來自不同 LED 的損耗退化速度。 設(shè)計說明書（論文） 23 表 41 白光 LED 的原理 近年來白光 LED 的光效取得了顯著的進(jìn)步 ,2020 年早期市場上一些高功率的 LED 光效己經(jīng)達(dá)到了 30lmPW。圖 44 顯示對高 功率 LED 光效提高的期待。最終 LED 的光效將達(dá)到一個在 120～ 200lmPW 之間的極限值。到 2020 或 2020 年 ,其光效就可達(dá)到 60lmPW,最大功率預(yù)計可 以達(dá)到 1～ 5W,因此一個 LED 的光通輸出預(yù)計能達(dá)以 60～ 300lm。 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 24 圖 44 用于汽車前照燈的白光 LED 的光效 在通常的照明領(lǐng)域 ,LED 作為 熒光燈 的替代 品 ,其亮度從來就不是一個問題 ,只要光通量能不斷增大就可以了。因此 LED 技術(shù)的核心是如何提高光通量而不是提高亮度。但在汽車前照燈系統(tǒng)中 ,亮度就顯得比光通量重要得多了 ,其主要原因如下 : 當(dāng)今 LED 的亮度最大是 4cdPmm2 ,這個數(shù)值比鹵鎢燈亮度 20～ 25cdPmm2 要低得多 ,而與 HID 前照燈比就更是低了 10 倍多。因此 ,為了設(shè)計出合適尺寸的汽車前照燈系統(tǒng) ,單個 LED 的輸出亮度必須提高到現(xiàn)在的 2～ 3 倍。 更進(jìn)一步分析可見 ,使用熒光粉的 LED 的出射亮度不僅僅決定于芯片的尺寸 ,同時還決定于與芯片作為一個整體的包含熒光粉的發(fā)光表面的外觀尺寸。 舉個例子來說 ,同樣是一個面積為 1 1mm 的芯片 ,它能發(fā)出 30lm 的光通量 ,但是它的亮度卻能在 01*cdPmm2 之間變化 ,這取決于熒光粉的涂敷方式及部件的封裝方法。因此 ,用于汽車前照燈的 LED 用熒光粉必須涂敷得盡可能薄 ,這樣就不會增大光源系統(tǒng)的表面積。 通常而言 ,LED 的使用壽命很長。在消費(fèi)用 電子 產(chǎn)品中 ,LED 光源的的壽命與產(chǎn)品壽命相比足夠長 ,據(jù)報導(dǎo)一些高功率的 LED 的壽命能超過 10 000h ,但遺憾的是 ,這些都是沒有考慮到作為汽車前照燈這一苛刻的工作環(huán)境得到的結(jié)果。如果要用于汽車前照燈 ,LED 的壽命必須超過 HID 光源的 3 000h ,若進(jìn)一步考慮到替換 LED 光源的過程難度更大 ,LED 的壽命要求能夠超過 10 000h。 LED 光源要設(shè)計說明書（論文） 25 想成為汽車前照燈 ,其壽命仍然有待改進(jìn)和提高。 LED前照燈 的實(shí)際應(yīng)用 一套 LED 前照燈系統(tǒng)毫無疑問需要多個 LED 光源 ,因?yàn)閱蝹€ LED 不能提供足夠的光通量。同時 ,通常的鹵鎢燈和 HID 光源 ,它們發(fā)出的光線會射向除基底外的各個方向 ,而一般的目前使用的 大功率 LED 發(fā)出的光線因受到結(jié)構(gòu)的限制 ,只會向半個球的方向發(fā)射。這就使得使用 LED 的前照燈的光學(xué)系統(tǒng)與常規(guī)的前照燈系統(tǒng)不同。但是這兩種前照燈系 統(tǒng)對其出射光的要求是一樣的 ,因此基本上可以使用通常的方法設(shè)計使用 LED 的前照燈系統(tǒng)。 比光學(xué)特性不同更重要的是 ,由于 LED 光源的低發(fā)熱 ,LED 前照燈系統(tǒng)中與光源相連接的部分可以使用塑料材料 ,這為設(shè)計者的配置設(shè)計提供了更大的自由性。同時設(shè)計者可以使用塑料 導(dǎo) 光管 ,這一點(diǎn)對目前前照燈系統(tǒng)來說是難以實(shí)現(xiàn)的。因此 ,當(dāng)設(shè)計 LED 前照燈光學(xué)系統(tǒng)時 ,設(shè)計者將 有更大的選擇空間 :不但可以采用傳統(tǒng)的自由構(gòu)造的反射器件和投射器件 ,同時可以使用塑料導(dǎo)光管 ,這就讓設(shè)計者能根據(jù)不同的條件使用不同的方法以達(dá)到美觀性的要求 ,從而能使汽車前部外形輪廓更趨合理。 因?yàn)?LED 光源和光學(xué)系統(tǒng)做得更小 ,光學(xué)元件的相對位置就要求更加精確。以直接投射光學(xué)系統(tǒng)為例 ,圖 45 顯示了 透鏡 和 LED 的相對位置對出射光束的光軸方向的影響。 LED 前照燈系統(tǒng)包含了大量的光源 ,對于寬光束分布的遠(yuǎn)光束系統(tǒng) ,透鏡和 LED相對位置的影響不會成為問題。而近光 束有非常尖銳的截止面 ,為了達(dá)到各個 LED 單元發(fā)光光軸方向的一致性 ,前照燈系統(tǒng)的各個組成之間的相對位置就要求非常精確。這種精確的尺度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通常汽車前照燈的精度 ,因此 LED 頭燈系統(tǒng)的制造工藝正期待著創(chuàng)新性的突破。 圖 45 直接投射光學(xué)系統(tǒng)中 LED 放置位置的影響示意圖 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 26 3． LED 的亮度和頭燈的尺寸 光源的亮度在汽車前照燈系統(tǒng)中顯得格外重要 ,因?yàn)榻馐鵁粢筮_(dá)到 2 000～ 30 000cd 的光強(qiáng)度 ,而遠(yuǎn)光束燈至少要求達(dá)到 50 000cd 的光強(qiáng)。光源在一個給定方向的光強(qiáng)度取決 于光源的發(fā)光部分在該方向的亮度 ,換句話說 ,取決于光源中許多的小發(fā)光體的亮度的總和。在此小發(fā)光體就是組成光源的眾多 LED ,光源 LED 的亮度需要考慮到光線在各個光學(xué)部件的反射和傳輸中的衰減。在一個典型的前照燈系統(tǒng)中 ,光在各個光學(xué)元件包括外透鏡在內(nèi)總的衰減大約是25 %～ 40 %。根據(jù)物理學(xué)的觀點(diǎn)來看 ,光學(xué)元件是不可能放大光源的亮度 ,因而對光源的亮度的要求就決定了前照燈表面面積的下限了 ,見圖 46 所示。 這里的表面面積是指從前方看過來的發(fā)光面積。而設(shè)計一個實(shí)際的前照燈 ,為了形成漫射光線及考慮系統(tǒng)其他 元件的性能 ,這個面積的數(shù)值要變成原來的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(yuǎn)光束就要求提高到 3 倍。 圖 46 光源的亮度與汽車前照燈的最小表面面積的關(guān)系 4． 近光束 為了證明 LED 前照燈系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)。圖 47 展示了這種模具 ,圖 48 是它的光分布情況。 36lm 的光通量和 1 600cd 的 最大光強(qiáng)可以通過使用 2 個 LED 配合一個 38mm 94mm 的 反射鏡 得到 , 其應(yīng)用的每個 LED 功率為 1W, 亮度是 4cdPmm2 ,光通量是 30lm ,芯片的尺寸是 1mm 1mm 。 設(shè)計說明書（論文） 27 為了使系統(tǒng)的最大光強(qiáng)超過 20 000cd ,需要使用 13 個這樣的單元。每個單元的反射面的投影面積是 35172cm2 , 因而 13 個單元的總投射面積是464136cm2 。擁有這樣一個投射面積的頭燈系統(tǒng)就太過龐大而不可能在實(shí)際中應(yīng)用。為了制造一個實(shí)用的樣品 ,LED 的亮度至少要增加 2 倍。 圖 47 產(chǎn)生近光的帶反射器的燈具樣品 圖 48 近光帶反射器的燈具樣品的光分布 5． 遠(yuǎn)光束 我們進(jìn)一步試驗(yàn)如圖 49 所示的帶反射器的遠(yuǎn)光燈具樣品。圖 410 顯示了它的光分布情況。 3 600cd 的最大光強(qiáng)是使用 1 個 LED 配合一個半徑為 30mm 的半圓形反光鏡得到 ,其應(yīng)用的每個 LED 功率為 5W,亮度大約是 4cdPmm2 ,光通量是 95lm ,芯片的尺寸是 2mm2mm 。為了使其最大亮度能超過 50 000cd ,需要使用 14 個這樣的單元 ,每個單元的反射面的投影面積是 28126cm2 ,因而 14 個單元的總投射面積是 395164cm2 。擁有這樣一個投射面積的前照燈系統(tǒng)就太過龐大而無法實(shí)際應(yīng)用。為了制造一個實(shí)用的樣品 ,LED 的亮度至少要增加 3 倍。 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 28 圖 49 產(chǎn)生遠(yuǎn)光的帶反射器的燈具樣品 圖 410 遠(yuǎn)光帶反射器的燈具樣品的光分布 6． LED 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) 光同時也是發(fā)熱的部件 P N 結(jié)的溫度( Tj ) 不能超過絕對額定值 ( Tjmax ) 。目前 Tjmax 大約是 120 ℃ ,通過下面的計算可以看到 ,無法通過自然風(fēng)冷而達(dá)到這一要求。 下例中我們估計了 LED 的 PN 結(jié)的溫度 如圖 411,從而從熱學(xué)觀點(diǎn)來 *定 LED 前照燈系統(tǒng)的可行性。條件 : 單個 LED 輸入功率 : PLED = 2W 總的 LED 消耗功率 : PLAMP = 24W(2W12 單元 ) 設(shè)計說明書（論文） 29 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(xiàn)燈的自然風(fēng)冷 ,以魚鰭狀延伸到燈的外部 ) 周邊溫度 :70 ℃ (燈后方的 散熱片 周圍的周邊溫度 ) 我們簡化計算模型用以得到整個平衡的結(jié)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(jié)的 溫度 : Tj + Ta + dThs + dTj = 70 + 36 + 30 = 136 ℃ 在這種條件下 Tj 超過了 120 ℃ ,因此必須使用強(qiáng)制冷卻。 圖 411 LED 前照燈的溫度分布 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 30 第五章 霧燈及其他車燈 霧燈 裝于汽車前部 比 前照燈 稍低的位置，用于雨霧天氣行車時 照明道路。因?yàn)殪F天能見度低，駕駛員視線受到限制。燈光可增大運(yùn)行距離，特別是黃色防霧燈的光穿透力強(qiáng)，它可提高駕駛員與周圍交通參與者的能見度，使來車和行人在較遠(yuǎn)處發(fā)現(xiàn)對方。 紅色和黃色是穿透力最強(qiáng)的顏色，但紅色代表“禁止通行”，所以選用黃色。黃色是最純的顏色，也是穿透力最強(qiáng)的顏色，汽車的黃色防霧燈可以穿透很厚的濃霧射到很遠(yuǎn)的地方。又由于反向散射的關(guān)系，后車駕駛員開亮前燈，更增加背景強(qiáng)度，前車形象更模糊。 前霧燈：前霧燈的作用并不是照明，而是提供一個高亮度的散射光源，這個光源的強(qiáng)度是為了穿透 濃霧，提醒對面駕駛員用的，雖然能夠照亮一小塊地方，但是如果 在正常情況使用，足夠?qū)γ娴难劬Ω愕醚刍潄y。這種情況下，開著前霧燈是一種不道德的行為，建議在正常情況下不要使用，而只在濃霧情況下用。即使是大雨情況，也只需要近光燈，霧燈不會給你任何幫助。 后霧燈：拜托大家為了自己的車車的屁股不被追尾，正常情況下也千萬不要使用 ,因?yàn)楹箪F燈和剎車燈的燈泡亮度是一樣的，都是 21W,而尾燈是 5W,本來5W 和 2 1W 之間的區(qū)別非常明顯，能夠傳遞 2 種信號，現(xiàn)在你在邊上加上一個干擾光源，大家可以試試，在漆黑的停車場，打開后霧燈 ，你只要在車后面對著PP 看一會兒，就完全沒有方向了。這樣如果后車盯著霧燈看幾秒，就分不出剎車燈的存在了。并且，剎車燈的光線是散射光，而后霧燈的光線有一部分是平行光，對于正后方的駕駛員來說，后霧燈的亮度比 5W+21W 的雙光絲剎車燈還要亮，這種情況下，開著后霧燈，只會招致被追尾。如果黃昏了，這個時候在快速干道上行車，你會發(fā)現(xiàn)兩側(cè)的后視鏡里的車子已經(jīng)模模糊糊了，一不小心，就可能忽略了一輛，這個時候，是打開燈光的時候了。不要等到天完全黑了，就是這一段時候，是最容易發(fā)生危險的時候。雨天，因?yàn)檐囕v側(cè)窗玻璃有水，所以說兩側(cè)后視鏡基本上沒用了，這時候如果打開近光燈，將會有助于任何人發(fā)現(xiàn)你。近光燈的設(shè)計規(guī)范，必須對道路提供足夠的照度，但是必須對光束照射方向有嚴(yán)格控制，比如主光束有一個 %的坡度。防眩目的要求，就是靠這個坡度，使得設(shè)計說明書（論文） 31 光線只是照到地上，而不是別人的眼睛。 前霧燈的設(shè)計規(guī)范，不作為照明用途，在極端惡劣的天氣情況下（指能見度小于 20M），提供一個強(qiáng)大的散射光源，使相對行使車輛能夠發(fā)現(xiàn)對方，當(dāng)然，這個光源如果不經(jīng)過濃霧的過濾，就太強(qiáng)了，太刺眼了。所以說，使用前霧燈的情況只有――能見