這里的表面面積是指從前方看過來的發(fā)光面積。而設計一個實際的前照燈,為了形成漫射光線及考慮系統其他元件的性能,這個面積的數值要變成原來的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]到汽車前照燈的實際尺寸,對近光束,LED的亮度至少要提高到目前的2倍,而遠光束就要求提高到3倍。

圖4光源的亮度與汽車前照燈的最小表面面積的關系。

2.4近光束

為了證明LED前照燈系統的可能性,我們制造了能產生近光的帶反射器的燈具樣品,它的光分布符合美國的標準。圖5展示了這種模具,圖6是它的光分布情況。36lm的光通量和1600cd的最大光強可以通過使用2個LED配合一個38mm×94mm的反射鏡得到,其應用的每個LED功率為1W,亮度是4cdPmm2,光通量是30lm,芯片的尺寸是1mm×1mm。

為了使系統的最大光強超過20000cd,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就太過龐大而不可能在實際中應用。為了制造一個實用的樣品,LED的亮度至少要增加2倍。

圖5產生近光的帶反射器的燈具樣品。

圖6近光帶反射器的燈具樣品的光分布。

2.5遠光束

我們進一步試驗如圖7所示的帶反射器的遠光燈具樣品。圖8顯示了它的光分布情況。3600cd的最大光強是使用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2mm×2mm。為了使其最大亮度能超過50000cd,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就太過龐大而無法實際應用。為了制造一個實用的樣品,LED的亮度至少要增加3倍。

圖7產生遠光的帶反射器的燈具樣品

圖8遠光帶反射器的燈具樣品的光分布

2.6LED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,無法通過自然風冷而達到這一要求。

下例中我們估計了LED的PN結的溫度,從而從熱學觀點來定LED前照燈系統的可行性。條件:單個LED輸入功率:PLED=2W總的LED消耗功率:PLAMP=24W(2W×12單元)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,為了實現燈的自然風冷,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℃,因此必須使用強制冷卻。

圖9LED前照燈的溫度分布。

3前照燈樣品

我們已經生產了前照燈的樣品。圖10展示了我們設想的未來的LED頭燈系統,它的光源全部采用LED,能產生遠光束和近光束,并能改變燈傾角的模式。我們通過使空氣進入燈前的開口而實現冷卻。

圖11展示了我們用以驗證工作原理而設計的LED前照燈系統。它可在實際應用的汽車上安裝并測試。

LED頭燈的近光束能產生19000cd的光強和500lm的光通量輸出,這對鹵鎢燈前照燈系統來說是一個非常有競爭力的數值。我們正在收集關于用這種燈熱處理的數據。圖12顯示了這種燈的光分布情況,因為采用的是目前LED產品,它并沒有達到最佳的情況,但它足以證明LED作為汽車前照燈的潛力。隨著LED性能的的優(yōu)化,LED前照燈系統在光分布方面也一定不會比現有的前照燈系統差。

圖10全部使用LED的汽車前照燈樣品。

圖11樣品在實際的汽車中的應用。

圖12實際用于汽車的LED前照燈樣品的光分布。

4結論

現在可用的白光LED雖然已經取得了很大的改進,但仍因其光強度偏低而不能用于商業(yè)汽車前照燈,并且還存在光學系統需要進一步優(yōu)化的問題。盡管現在這種LED前照燈系統仍不可行,但它潛在的優(yōu)勢卻清楚的顯現出來了。LED亮度和穩(wěn)定性的提高,消耗費用的下降,燈尺寸的生產工藝進步,光學系統的優(yōu)化,所有的這些問題有望在不久的將來得到解決,從而使用LED前照燈的汽車一定會在公路上出現。我們相信,美觀、節(jié)能、安全、低耗費的LED汽車前照燈系統一定能得到普及。