浅析高亮度LED在汽车信号灯中的应用
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[摘 要]本文对LED发光原理，电学特性及光学特性进行了浅要的分析，并对LED作为汽车信号灯光源的优点及应用领域做了简要的介绍。
[关键词]LED；汽车信号灯
中图分类号：U665.16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0377-01
随着LED照明技术不断发展，单个LED光源的光通量和功率也在迅速增加，就目前LED光源的功率和光效来看，很难取代汽车前照灯和前雾灯的光源，但是应用在汽车信号灯，如转向灯、制动灯是可以的。通过目前汽车灯具发展来看，LED在汽车信号灯中的应用是最具潜力。
1.LED发光原理
高亮度led （light-emitting diode，简称写为LED ）是一种固体电致发光体，是直接将电能转化成光能的半导体器件，由四元化合物及GaN系列化合物制成的半导体，和普通二极管一样，核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结fl}l，因此它具有一般PN结的I-V特性，即正向导通，反向截止。
当在发光二极管PN结上加正向电压时，空间电荷层逐渐变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，在P区和N区界面两侧附近空间的载流子各自向对方扩散，P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区，电子与空穴的扩散均破坏结两边的电中性。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇复合时会把过乘（的能量会以光和热形式表现出来，从而把电能直接转化成光能，这是典型的复合发光的发光体，属于自发辐射。当在发光二极管的PN结上加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
在LED允许电学特性范围内，改变工作电压（电流）的大小，是可以调节发光亮度。LED的发光亮度与工作电流大小成线性关系，即通过LED的正向电流越大则LED越亮，电流稳定度将影响LED发光稳定性。也因此，采用能提供精确电流的LED驱动电路成为汽车照明的主流。
2.LED的电学特性
控制LED的发光亮度，实质是控制发光密度，主要描述发光二极管的电压与电流的关系。当正向电压小于某一值（叫阂值）时，电流极小，不发光；当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，LED发光。
3.LED的光学特性
1.光通量
光通量F是光源发射并被人的眼睛接收的能量之总和即为光通量（中），其单位为流明（lm ）。是LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED的光通量随之增大。此外，光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。由于LED的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，因此采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。
2.发光强度
LED有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度来度量其光学特性，后者可用光度学来量度其光学特性。LED的光强用于表征它在某个方向上的发光强若，由于LED在不同的空间角度上光强相差很多，随之而来人们研究了LED的光强分布特性。这个参数的实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。LED采用的是圆柱形、圆球型封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强的指向性，其中发现方向上的光强最大，其与水平面的交角为90度。当偏离正法向方向不同的角度时，光强也随之变化。例如车用的LED必须保证在较大角度的人都能识别。
3.发光峰值波长及其光谱分布
LED所发的光并非单一波长，无论用什么材料制成的LED，其光谱分布曲线都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫做峰值波长，用场表示。只有单色光才有峰值波长。
4.发光亮度
一般来讲光线都是向不同方向发射的，并且强度各异。可见光在某一特定方向角内所发射的光的强度就叫做光强，发光亮度是衡量LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性。指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，发光亮度的单位为cd/m2或Nit（尼特）。其正法线方向上的亮度为：
Bo=Io/A（2.3）
4.LED作为汽车信号灯光源的优点及应用领域
目前，随着科学技术的发展，LED的性能逐步提高，使其得到广泛应用。并且，随着材料的发展，更亮、更多色彩的LED将会被用到车外光源信号灯设计中去。LED作为新型的汽车照明光源，其显著优点主要表现在以下几个方面：
1. LED作为新型光源的显著优点
（1）发光效率高、耗能低
LED光源不需要滤色就能直接产生汽车灯具需要的唬拍色、红色等颜色，无损耗，电能利用率高达80%以上。我国目前照明用电近2500亿度，若其中1/3采用半导体照明，每年可节电800亿度，与三峡电站的年发电量大体相当。美国能源部的报告中称，照明消耗的电力占美国发电量的23%。该部门资助了一个固态光源开发项目，预期目标是光效为2001m/W。一旦该研发项目成功并得到应用，每年节约的电能可超过300亿美元。由此可见，LED的潜在经济效益是非常可观的。
（2）无须热启动时间、亮灯响应速度快
汽车信号灯是LED应用的一个重要领域，LED启动时间仅需60ns，普通自炽灯灯泡的启动时间一般为100-300ms，对于事关重要的制动灯来说，这样的时间差距意味着高速行驶时的制动距离相差4～7m，从而使汽车追尾事故发生率降低5%.
（3）体积小、重量轻
发光二极管体积小、发热量低、可大幅缩小汽车灯具的厚度，增加汽车的可用空间，设计灵活性大，可以随意变换灯具模式，适用各种造型的汽车。。
（4）寿命长
发光二极管使用寿命长达到100000小时，免维护，在整个汽车使用期限之内有可能不用再更换灯具。LED的冷光特性，使灯具不会因长期受热而变形，从而提高了整套灯具的寿命。传统的光源是无法与之相比。
（5）绿色照明光源，有利于环保
LED光谱中单色性好，没有多余红外、紫外等光谱，不含汞、钠元素等可能危害健康的物质，且热量、辐射很少。另外，LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。
（1） LED在汽车内部照明灯中的应用
车内照明主要是各种仪表的照明和显示，如仪表盘和控制板背光源、中央控制台背光源、导航、音响砒统等照明。
（ 2 ） LED在汽车信号灯中的应用
汽车信号灯主要指中央高置刹车灯、转向灯、尾灯、车后组合转向灯、反光镜转向信号指示灯等。目前对其照度和颜色都有明确的规定。目前，应用较多的车外照明是高置刹车灯。亚洲车型的80%-90%、欧洲车型的70% -80、美国车型的50%高置刹车灯采用HB-LED。丰田、奥迪、通用的部分高档轿车已采用。osramHB-LED前灯模块。未来2-3年豪华车信号灯将采用HB-LED。最终LED将逐步实现从汽车内部、后部到前部的转移，最终占据整个汽车车灯市场。凭借着汽车的巨大产能，LED车灯市场面临着巨大的发展潜力.
（ 3 ） LED在汽车前照灯中的应用初见端倪
前照灯是汽车在夜问行驶时照明前方道路的灯具，是保障汽车安全运行的重要部件之一。前照灯的照明距离越远，配光性越好，汽车行驶的安全性能也就越高。汽车前照灯发出远光和近光两种光束，其中远光在无对方来车的道路上，汽车以较高速度行驶。远光应保证在车前100m或更远的路面上得到明亮而均匀的照明.
5.结语
高亮度LED以寿命长、体积小、耐震动、响应速度快、冷光源、功耗低等优点，已经在今天的汽车灯具中得到广泛的应用。
参考文献
[1]王声学.吴广宁.蒋伟等.LED原理及其照明应用.灯与照明[J] . 2009.
[2]姚帅.余桂英一种LED汽车前照灯驱动电路设计.中国照明电器.2011.