車用LED的“今生來世”

　　1 LED簡介

　　隨著科技的發(fā)展，人們對汽車光源的要求越來越高，LED （Light Emitting Diode）憑借其出色的性能逐漸受到技術(shù)人員的重視。

　　LED是由Ⅲ- Ⅳ族化合物，如GaAs （砷化鎵）、GaP （磷化鎵）、GaAsP （磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P- N結(jié)的I- N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復合而發(fā)光，如圖1所示。

　　假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。

　　理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即：

　　式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見光（波長在380 nm紫光～780 nm紅光），半導體材料的Eg應在3.26～1.63 eV之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍光等顏色的發(fā)光二極管，但因為材料及制造等原因，成本有一些不同。

　　LED早在20世紀60年代初就已問世，雖然其激勵響應時間短、有效壽命長、功耗低，但由于制造技術(shù)的限制，使其發(fā)光亮度小，且只有紅色一種顏色，很長一段時間內(nèi)僅用于小指示器光源和字母數(shù)字顯示器等有限領域中。1986年，Nissan 300ZX型車上的高位制動燈運用了72個5 mm的LED，標志著LED逐步進入了汽車工業(yè)。目前，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，LED的性能逐步提高，例如其發(fā)光亮度的增加大大減少了每個高位制動燈中所需LED的數(shù)目，因此降低了成本，使其得到廣泛應用。并且，隨著材料的發(fā)展，更亮、更多色彩的LED將會被用到其它的燈具中去。

　　2 LED的優(yōu)點

　　2.1 光效

　　光效體現(xiàn)于該光源每消耗1 W電能所產(chǎn)生的光通量圖1 LED發(fā)光原理示意圖（流明數(shù)）。隨著半導體材料技術(shù)不斷發(fā)展，LED的光效得到了不斷的提高。到20世紀90年代中期，隨著新材料AlInGaP的使用，紅色和琥珀色LED的光效達到10～20 lm/W。根據(jù)Lumileds的技術(shù)進程，2005年紅色、橙色及黃色高亮度發(fā)光二極管的光效約為50 lm/W，高于白熾燈的光效。

　　2.2 壽命

　　在壽命方面，LED顯出其優(yōu)勢。LED的使用壽命可長達上萬小時，遠遠高于白熾燈幾千小時的使用壽命，因此LED通常在汽車壽命期間無需更換。

　　2.3 顏色

　　LED的單色性好，其輻射光譜為窄帶，因此無需濾光片，大部分光通得到了利用；而白熾燈輻射為連續(xù)光譜，要利用濾光片才能得到所需顏色，這一過程損失了很多光通。有研究表明，綜合LED的單色性好和服務壽命長等優(yōu)勢，使用LED的經(jīng)濟性并不很差。

　　2.4 響應時間

　　LED的響應時間非常短。這一點有利于提高汽車的安全性，這也是目前LED廣泛應用于高位制動燈的原因之一。研究表明，LED的響應時間約為100 ns，遠小于白熾燈的200 ms。如果以100km/h的車速計算，使用LED作為制動信號燈光源，可為后面的道路使用者多留出約6 m的制動距離。

　　2.5 發(fā)熱量

　　LED的發(fā)熱量比傳統(tǒng)車用光源的發(fā)熱量要小得多，這一點對前照燈設計非常重要。LED前照燈系統(tǒng)中與光源相連接的部分可以使用塑料，這為設計者的配置設計提供了更大的自由性。同時設計者可以使用塑料導光管，這一點對目前前照燈系統(tǒng)來說是很難實現(xiàn)的。這讓設計者能根據(jù)不同的條件使用不同的方法以達到美觀性的要求，從而使汽車前部外形輪廓更趨合理。

　　3 LED在汽車上應用存在的問題

　　3.1 價格

　　在價格問題上，一套普通燈泡的價格在10元以下，而LED燈的價格一般都要數(shù)十元。雖然考慮到使用普通燈的車型需要更換燈泡，總體價格相差不多。但是，由于整車廠講究成本控制，LED燈的推廣還是因此受到了一定的限制。

　　3.2 亮度

　　當今LED的亮度最大是4 cd /mm2，這個數(shù)值比鹵鎢燈的亮度20～25 cd /mm2要低得多；而與HID前照燈比就更低了，僅是其的十幾分之一。因此，為了設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。

　　4 LED目前在汽車上的應用

　　4.1 車內(nèi)光源

　　LED在車內(nèi)最先是用在儀表板指示燈上，如奔馳和奧迪公司使用白色、寶馬使用橙色、紳寶使用綠色LED作為儀表與控制單元所使用的指示燈。

　　LED的顏色不僅與車內(nèi)的布置和諧，同時還能代表企業(yè)的文化。近年來由于產(chǎn)品價格的降低，LED的應用領域已經(jīng)拓展到了車內(nèi)閱讀燈、足下燈等。如美國Gentex CorporatiON將白色LED與汽車尾燈結(jié)合，作為車內(nèi)閱讀燈使用，目前包括通用、福特、克萊斯勒等汽車廠都在使用此類產(chǎn)品。豐田新款車minivan Alphard使用白光LED作為車內(nèi)閱讀燈，奧迪A6等車款也有同類設計。

　　4.2 信號燈

　　LED在高位制動燈上的應用已經(jīng)有近20年的時間了，到目前為止，全球LED高位制動燈的占有率約為40%。在2000年，卡迪拉克推出的DeVille型車，首先將LED應用于車尾燈組，開啟了LED在車外光源的新應用?？ǖ侠怂瞥龅奈矡艚M由68顆LED組成，其中16顆作為方向燈及警示燈、4顆作為旁標志燈、48顆作為制動燈。雖然卡迪拉克是最早將LED應用于車尾燈組的廠商，但早在卡迪拉克之前，就有其它的廠商將LED應用于車后端光源，如制動燈、轉(zhuǎn)向燈等。近年來利用LED作為車后端光源的風潮有擴大的傾向，許多歐洲和日本廠商都有相關(guān)產(chǎn)品推出，包括歐洲的奧迪、阿爾法羅密歐、寶馬、奔馳，日本的豐田、三菱等廠商，且其應用有由高價車往平民車發(fā)展，及由單一光源的使用，轉(zhuǎn)變?yōu)槿矡艚M均使用LED的趨勢。

　　4.3 前照燈

　　前照燈光源是汽車用光源中要求較高的部分，由于目前LED存在單位亮度不足、價格過高等問題，以及HID燈在此市場的強大競爭優(yōu)勢，LED仍局限于未來概念車的應用，如卡迪拉克概念車（Sixteen）、奧迪概念車（Nuvolari）、三菱概念車（CZ 2）、福特概念車（Model U）等，它們均使用了由數(shù)十顆白光LED制成的車前照燈模塊。不過從HID燈在汽車前照燈發(fā)展的歷史經(jīng)驗及LED的技術(shù)進展來看，預計在未來的幾年內(nèi)即可出現(xiàn)商業(yè)化應用的前照燈LED。

　　5 應用前景

　　汽車用光源主要功能在于照明與指示，其對汽車駕駛安全性的影響相當大，因此各國對于汽車光源均通過制定相關(guān)標準來加以規(guī)范。對于高亮度LED這一新興汽車光源的標準的制定速度及內(nèi)涵，也將影響到汽車用LED市場發(fā)展的速度及范圍。

　　就整體而言，汽車用LED在市場上還處于起步階段，但由于其自身所具有的良好特性，它在汽車上的應用前景是十分光明的。據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)LED中央高位制動燈的生產(chǎn)和配套都已經(jīng)比較普遍，而市場規(guī)模更龐大、前景更廣闊的LED組合尾燈還處于起步階段。國內(nèi)主要由小糸、海拉、法雷奧、斯坦雷等中外合資企業(yè)在進行汽車LED組合尾燈批量生產(chǎn)，國內(nèi)部分其它車燈企業(yè)已經(jīng)開始汽車LED組合尾燈的研發(fā)工作。汽車LED組合尾燈在未來幾年內(nèi)，將是汽車市場的熱點之一。據(jù)預測，到2008年，我國汽車LED組合尾燈在前裝市場的配套量將超過100萬套，未來幾年市場年平均增長速度將超過80%。