LED汽車頭燈的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
上傳人:未知 上傳時(shí)間: 2011-05-30 瀏覽次數(shù): 161 |
光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)先考慮法規(guī)需求,討論視角與強(qiáng)度關(guān)系,以近燈為例須針對其特殊的15度揚(yáng)角設(shè)計(jì),如圖5所示。在傳統(tǒng)的燈具設(shè)計(jì)上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強(qiáng)度的控制,演變成為利用反射罩直接控制強(qiáng)度角度,也發(fā)展出利用成像方式的魚眼透鏡設(shè)計(jì)法。不論何種的設(shè)計(jì)方式都須先考慮選用光源的特性,特別是角度與強(qiáng)度的光型輸出(Beam pattern),對傳統(tǒng)的光源而言,大多為柱狀光源,可產(chǎn)生類似蝴蝶外型的光型輸出,進(jìn)而發(fā)展出來與之搭配的透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學(xué)組件。而利用LED作為光源設(shè)計(jì)燈具時(shí),需重新考慮其光學(xué)特性由傳統(tǒng)的柱狀光源變?yōu)槠矫婀庠?不同的封裝設(shè)計(jì)有不同的光型輸出),進(jìn)而搭配外部的光學(xué)組件而產(chǎn)生不同組合以應(yīng)用于不同產(chǎn)品,依照德國車燈大廠HELLA的設(shè)計(jì)分類,可將光源分為八大類,如圖6 所示。LED目前的單位面積發(fā)光量尚不及鹵素?zé)襞菖c放電式燈泡,想得到相同的流明輸出,LED需要較大的封裝面積。隨著光源輸出面積的增加,光學(xué)設(shè)計(jì)的難度也隨之提升,所以在現(xiàn)有的概念車上,都以模塊化光學(xué)設(shè)計(jì)取代既有的單一燈室設(shè)計(jì),利用多組燈源達(dá)到傳統(tǒng)燈具的照明水平,除了降低光學(xué)設(shè)計(jì)的難度,也增加車體造型的設(shè)計(jì)感。
圖6 頭燈設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)
資料來源:Hella
圖7 LED光源設(shè)計(jì)
資料來源:Hella
散熱設(shè)計(jì)是LED光源區(qū)別于傳統(tǒng)光源的課題之一。傳統(tǒng)燈具產(chǎn)生的熱遠(yuǎn)高于LED,但傳統(tǒng)燈具不會(huì)因?yàn)楦邷囟档推涔庠摧敵瞿芰?,但LED的光輸出卻會(huì)隨著本身接口(Junction, PN接口)溫度的升高而下降,如圖8所示。而其產(chǎn)生的熱如何散除到外界環(huán)境與其封裝結(jié)構(gòu)材料息息相關(guān),牽涉到使用的散熱材料與相關(guān)外型,關(guān)系如圖9所示,其中熱阻的概念,代表輸入W功率時(shí),需要提高多少K溫度才足以散熱。以現(xiàn)有的封裝技術(shù)最高可允許LED操作在185℃(Lumiled K2),但一般因?yàn)榉庋b膠材的關(guān)系,可允許的操作溫度約在125℃,除了考慮光源輸出效率之外,亦考慮封裝膠材的變質(zhì)(樹脂類材料在高溫有老化現(xiàn)象)。
圖8 接口溫度對光源輸出的影響
資料來源:Lumiled
引擎室的溫度在燈具附近最高可到85℃,配合Lumiled K2可有100℃的散熱空間,但若配合一般的LED則只有40℃的散熱空間,觀察相關(guān)熱阻,R_Junction-Slug、R_Slug-Board都決定于封裝體,對設(shè)計(jì)者而言只能針對R_Board-Ambient努力,其中包括如何將封裝體固定于散熱基板上(接著質(zhì)量)、散熱結(jié)構(gòu)外型設(shè)計(jì)、主被動(dòng)散熱考慮與外部環(huán)境等條件。因此在此處應(yīng)該與機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)模擬設(shè)計(jì),取得燈具在引擎室內(nèi)的流場與溫度條件后再考慮所需的散熱模式,若選用被散動(dòng)熱得需要較大的散熱空間,對引擎是而言是不小的負(fù)擔(dān),若選用主動(dòng)式散熱,雖然所需散熱環(huán)境較小,但因?yàn)樵黾恿孙L(fēng)扇等可動(dòng)件,反而需考慮此可動(dòng)件可否通過車燈上的相關(guān)法規(guī),包括震動(dòng)、粉塵、腐蝕與濕氣等嚴(yán)苛環(huán)境。
圖9 封裝與散熱熱阻關(guān)系
資料來源:Lumiled
LED在頭燈應(yīng)用上遭遇的難題
LED應(yīng)用于頭燈上在許多的車展上各家車廠都有展示相關(guān)的概念車,但在頭燈部分尚未看見有成品出現(xiàn),仍有需多問題尚待解決。其中主要問題應(yīng)在于亮度輸出、散熱問題與誤差設(shè)計(jì)。
頭燈的亮度需求近燈900流明,遠(yuǎn)燈1100流明,整體需求2000流明,約是Lumiled生產(chǎn)40顆1W封裝體Luxeon emitter在25℃的總光源輸出,但當(dāng)其外界溫度升高至50℃時(shí),其效率將降至80%以下,且其光源輸出面積約90_2(氣體放電式燈泡約 13_2),設(shè)計(jì)難度亦隨之提升。
在LED產(chǎn)業(yè)中,應(yīng)對磊晶造成芯片的不均勻而發(fā)展出所謂的分類銷售的過程,特別是高瓦數(shù)的芯片在LED產(chǎn)業(yè)上是全檢出貨,依照波長亮度進(jìn)行分類,也因此封裝后的個(gè)體存在著細(xì)微的差距,此差距可能存在于亮度、色溫或是可靠度上。然而應(yīng)用LED于頭燈時(shí),不可避免會(huì)利用多顆芯片以輸出足夠亮度進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì),此時(shí)需特別注意LED質(zhì)量檢測與質(zhì)量控制的環(huán)節(jié),以確保相同質(zhì)量的光源輸出。
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