车用LED的“今生来世”

　　1 LED简介

　　随着科技的发展，人们对汽车光源的要求越来越高，LED （Light Emitting Diode）凭借其出色的性能逐渐受到技术人员的重视。

　　LED是由Ⅲ- Ⅳ族化合物，如GaAs （砷化镓）、GaP （磷化镓）、GaAsP （磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P- N结的I- N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。

　　假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

　　理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即：

　　式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380 nm紫光～780 nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63 eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光等颜色的发光二极管，但因为材料及制造等原因，成本有一些不同。

　　LED早在20世纪60年代初就已问世，虽然其激励响应时间短、有效寿命长、功耗低，但由于制造技术的限制，使其发光亮度小，且只有红色一种颜色，很长一段时间内仅用于小指示器光源和字母数字显示器等有限领域中。1986年，Nissan 300ZX型车上的高位制动灯运用了72个5 mm的LED，标志着LED逐步进入了汽车工业。目前，随着科学技术的发展，LED的性能逐步提高，例如其发光亮度的增加大大减少了每个高位制动灯中所需LED的数目，因此降低了成本，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将会被用到其它的灯具中去。

　　2 LED的优点

　　2.1 光效

　　光效体现于该光源每消耗1 W电能所产生的光通量图1 LED发光原理示意图（流明数）。随着半导体材料技术不断发展，LED的光效得到了不断的提高。到20世纪90年代中期，随着新材料AlInGaP的使用，红色和琥珀色LED的光效达到10～20 lm/W。根据Lumileds的技术进程，2005年红色、橙色及黄色高亮度发光二极管的光效约为50 lm/W，高于白炽灯的光效。

　　2.2 寿命

　　在寿命方面，LED显出其优势。LED的使用寿命可长达上万小时，远远高于白炽灯几千小时的使用寿命，因此LED通常在汽车寿命期间无需更换。

　　2.3 颜色

　　LED的单色性好，其辐射光谱为窄带，因此无需滤光片，大部分光通得到了利用；而白炽灯辐射为连续光谱，要利用滤光片才能得到所需颜色，这一过程损失了很多光通。有研究表明，综合LED的单色性好和服务寿命长等优势，使用LED的经济性并不很差。

　　2.4 响应时间

　　LED的响应时间非常短。这一点有利于提高汽车的安全性，这也是目前LED广泛应用于高位制动灯的原因之一。研究表明，LED的响应时间约为100 ns，远小于白炽灯的200 ms。如果以100km/h的车速计算，使用LED作为制动信号灯光源，可为后面的道路使用者多留出约6 m的制动距离。

　　2.5 发热量

　　LED的发热量比传统车用光源的发热量要小得多，这一点对前照灯设计非常重要。LED前照灯系统中与光源相连接的部分可以使用塑料，这为设计者的配置设计提供了更大的自由性。同时设计者可以使用塑料导光管，这一点对目前前照灯系统来说是很难实现的。这让设计者能根据不同的条件使用不同的方法以达到美观性的要求，从而使汽车前部外形轮廓更趋合理。

　　3 LED在汽车上应用存在的问题

　　3.1 价格

　　在价格问题上，一套普通灯泡的价格在10元以下，而LED灯的价格一般都要数十元。虽然考虑到使用普通灯的车型需要更换灯泡，总体价格相差不多。但是，由于整车厂讲究成本控制，LED灯的推广还是因此受到了一定的限制。

　　3.2 亮度

　　当今LED的亮度最大是4 cd /mm2，这个数值比卤钨灯的亮度20～25 cd /mm2要低得多；而与HID前照灯比就更低了，仅是其的十几分之一。因此，为了设计出合适尺寸的汽车前照灯系统，单个LED的输出亮度必须提高到现在的2～3倍。

　　4 LED目前在汽车上的应用

　　4.1 车内光源

　　LED在车内最先是用在仪表板指示灯上，如奔驰和奥迪公司使用白色、宝马使用橙色、绅宝使用绿色LED作为仪表与控制单元所使用的指示灯。

　　LED的颜色不仅与车内的布置和谐，同时还能代表企业的文化。近年来由于产品价格的降低，LED的应用领域已经拓展到了车内阅读灯、足下灯等。如美国Gentex CorporatiON将白色LED与汽车尾灯结合，作为车内阅读灯使用，目前包括通用、福特、克莱斯勒等汽车厂都在使用此类产品。丰田新款车minivan Alphard使用白光LED作为车内阅读灯，奥迪A6等车款也有同类设计。

　　4.2 信号灯

　　LED在高位制动灯上的应用已经有近20年的时间了，到目前为止，全球LED高位制动灯的占有率约为40%。在2000年，卡迪拉克推出的DeVille型车，首先将LED应用于车尾灯组，开启了LED在车外光源的新应用。卡迪拉克所推出的尾灯组由68颗LED组成，其中16颗作为方向灯及警示灯、4颗作为旁标志灯、48颗作为制动灯。虽然卡迪拉克是最早将LED应用于车尾灯组的厂商，但早在卡迪拉克之前，就有其它的厂商将LED应用于车后端光源，如制动灯、转向灯等。近年来利用LED作为车后端光源的风潮有扩大的倾向，许多欧洲和日本厂商都有相关产品推出，包括欧洲的奥迪、阿尔法罗密欧、宝马、奔驰，日本的丰田、三菱等厂商，且其应用有由高价车往平民车发展，及由单一光源的使用，转变为全尾灯组均使用LED的趋势。

　　4.3 前照灯

　　前照灯光源是汽车用光源中要求较高的部分，由于目前LED存在单位亮度不足、价格过高等问题，以及HID灯在此市场的强大竞争优势，LED仍局限于未来概念车的应用，如卡迪拉克概念车（Sixteen）、奥迪概念车（Nuvolari）、三菱概念车（CZ 2）、福特概念车（Model U）等，它们均使用了由数十颗白光LED制成的车前照灯模块。不过从HID灯在汽车前照灯发展的历史经验及LED的技术进展来看，预计在未来的几年内即可出现商业化应用的前照灯LED。

　　5 应用前景

　　汽车用光源主要功能在于照明与指示，其对汽车驾驶安全性的影响相当大，因此各国对于汽车光源均通过制定相关标准来加以规范。对于高亮度LED这一新兴汽车光源的标准的制定速度及内涵，也将影响到汽车用LED市场发展的速度及范围。

　　就整体而言，汽车用LED在市场上还处于起步阶段，但由于其自身所具有的良好特性，它在汽车上的应用前景是十分光明的。据调查，目前国内LED中央高位制动灯的生产和配套都已经比较普遍，而市场规模更庞大、前景更广阔的LED组合尾灯还处于起步阶段。国内主要由小糸、海拉、法雷奥、斯坦雷等中外合资企业在进行汽车LED组合尾灯批量生产，国内部分其它车灯企业已经开始汽车LED组合尾灯的研发工作。汽车LED组合尾灯在未来几年内，将是汽车市场的热点之一。据预测，到2008年，我国汽车LED组合尾灯在前装市场的配套量将超过100万套，未来几年市场年平均增长速度将超过80%。