車用LED的“今生來(lái)世”

　　1 LED簡(jiǎn)介

　　隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)汽車光源的要求越來(lái)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(dǎo)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(jìn)入對(duì)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(fù)合而發(fā)光，如圖1所示。

　　假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)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(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)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(zhǎng)在380 nm紫光～780 nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63 eV之間。比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光等顏色的發(fā)光二極管，但因?yàn)椴牧霞爸圃斓仍?，成本有一些不同?/P>

　　LED早在20世紀(jì)60年代初就已問世，雖然其激勵(lì)響應(yīng)時(shí)間短、有效壽命長(zhǎng)、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(zhǎng)一段時(shí)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(lǐng)域中。1986年，Nissan 300ZX型車上的高位制動(dòng)燈運(yùn)用了72個(gè)5 mm的LED，標(biāo)志著LED逐步進(jìn)入了汽車工業(yè)。目前，隨著科學(xué)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(gè)高位制動(dòng)燈中所需LED的數(shù)目，因此降低了成本，使其得到廣泛應(yīng)用。并且，隨著材料的發(fā)展，更亮、更多色彩的LED將會(huì)被用到其它的燈具中去。

　　2 LED的優(yōu)點(diǎn)

　　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(dǎo)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(jì)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(dá)到10～20 lm/W。根據(jù)Lumileds的技術(shù)進(jìn)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(shì)。LED的使用壽命可長(zhǎng)達(dá)上萬(wàn)小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于白熾燈幾千小時(shí)的使用壽命，因此LED通常在汽車壽命期間無(wú)需更換。

　　2.3 顏色

　　LED的單色性好，其輻射光譜為窄帶，因此無(wú)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(guò)程損失了很多光通。有研究表明，綜合LED的單色性好和服務(wù)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，使用LED的經(jīng)濟(jì)性并不很差。

　　2.4 響應(yīng)時(shí)間

　　LED的響應(yīng)時(shí)間非常短。這一點(diǎn)有利于提高汽車的安全性，這也是目前LED廣泛應(yīng)用于高位制動(dòng)燈的原因之一。研究表明，LED的響應(yīng)時(shí)間約為100 ns，遠(yuǎn)小于白熾燈的200 ms。如果以100km/h的車速計(jì)算，使用LED作為制動(dòng)信號(hào)燈光源，可為后面的道路使用者多留出約6 m的制動(dòng)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(diǎn)對(duì)前照燈設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者的配置設(shè)計(jì)提供了更大的自由性。同時(shí)設(shè)計(jì)者可以使用塑料導(dǎo)光管，這一點(diǎn)對(duì)目前前照燈系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很難實(shí)現(xiàn)的。這讓設(shè)計(jì)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，從而使汽車前部外形輪廓更趨合理。

　　3 LED在汽車上應(yīng)用存在的問題

　　3.1 價(jià)格

　　在價(jià)格問題上，一套普通燈泡的價(jià)格在10元以下，而LED燈的價(jià)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(jià)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(dāng)今LED的亮度最大是4 cd /mm2，這個(gè)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(shè)計(jì)出合適尺寸的汽車前照燈系統(tǒng)，單個(gè)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(yīng)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(shí)還能代表企業(yè)的文化。近年來(lái)由于產(chǎn)品價(jià)格的降低，LED的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓展到了車內(nèi)閱讀燈、足下燈等。如美國(guó)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(shè)計(jì)。

　　4.2 信號(hào)燈

　　LED在高位制動(dòng)燈上的應(yīng)用已經(jīng)有近20年的時(shí)間了，到目前為止，全球LED高位制動(dòng)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(yīng)用于車尾燈組，開啟了LED在車外光源的新應(yīng)用。卡迪拉克所推出的尾燈組由68顆LED組成，其中16顆作為方向燈及警示燈、4顆作為旁標(biāo)志燈、48顆作為制動(dòng)燈。雖然卡迪拉克是最早將LED應(yīng)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(yīng)用于車后端光源，如制動(dòng)燈、轉(zhuǎn)向燈等。近年來(lái)利用LED作為車后端光源的風(fēng)潮有擴(kuò)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(yīng)用有由高價(jià)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(shì)。

　　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(jià)格過(guò)高等問題，以及HID燈在此市場(chǎng)的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，LED仍局限于未來(lái)概念車的應(yīng)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(guò)從HID燈在汽車前照燈發(fā)展的歷史經(jīng)驗(yàn)及LED的技術(shù)進(jìn)展來(lái)看，預(yù)計(jì)在未來(lái)的幾年內(nèi)即可出現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的前照燈LED。

　　5 應(yīng)用前景

　　汽車用光源主要功能在于照明與指示，其對(duì)汽車駕駛安全性的影響相當(dāng)大，因此各國(guó)對(duì)于汽車光源均通過(guò)制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)加以規(guī)范。對(duì)于高亮度LED這一新興汽車光源的標(biāo)準(zhǔn)的制定速度及內(nèi)涵，也將影響到汽車用LED市場(chǎng)發(fā)展的速度及范圍。

　　就整體而言，汽車用LED在市場(chǎng)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(yīng)用前景是十分光明的。據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)LED中央高位制動(dòng)燈的生產(chǎn)和配套都已經(jīng)比較普遍，而市場(chǎng)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(guó)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(jìn)行汽車LED組合尾燈批量生產(chǎn)，國(guó)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(lái)幾年內(nèi)，將是汽車市場(chǎng)的熱點(diǎn)之一。據(jù)預(yù)測(cè)，到2008年，我國(guó)汽車LED組合尾燈在前裝市場(chǎng)的配套量將超過(guò)100萬(wàn)套，未來(lái)幾年市場(chǎng)年平均增長(zhǎng)速度將超過(guò)80%。