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汽車前照燈光源及發(fā)展趨勢 燕坤善，牛萍娟，付賢松 (天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，天津300160) 摘要：介紹了汽車前照燈的發(fā)展歷程和技術(shù)現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述了氙氣燈前照燈和發(fā)光二極管前照燈技術(shù)優(yōu) 勢，并展望了各種燈光源的應(yīng)用前景和汽車前照燈的發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞：汽車；前照燈；氙氣燈；發(fā)光二極管 中圖分類號：TM9235 Light Source of Automobile Headlamp and Its Trend YAN Kunshan，NIU Ping-juan，F(xiàn)U Xian-song (School of Information and Communication of engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China) Abstract：The development and status of automobile headlamp are presented，the technical superiority of HID and LED headlamp is focused，and the application foreground of the lighting sources and the trend of headlamp are ex plained Keywords：automobile；headlamp；HID；LED 1 引 言 汽車光源在照明領(lǐng)域中占有極其重要的地位。 其產(chǎn)量占整個(gè)照明光源總產(chǎn)量的10左右。前照燈 是汽車在夜間行駛時(shí)照明前方道路的燈具是保障 汽車安全運(yùn)行的重要部件之一。前照燈的照明距離 卜 越遠(yuǎn)，配光性越好，汽車行駛的安全性能就越高。 因此前照燈的設(shè)計(jì)中必須做到以下兩點(diǎn)： (1)光源技術(shù)上要達(dá)到高光通量，高效率，長壽 命。 (2)燈具技術(shù)配光性能要好，不致使對方來車駕 駛員感到眩目，且設(shè)計(jì)嚴(yán)密，可靠性好。 隨著汽車技術(shù)的發(fā)展汽車前照燈在不斷地發(fā)生變 化。從早期乙炔氣前照燈發(fā)展到當(dāng)今最先進(jìn)的LED 汽車頭燈。經(jīng)歷了5代發(fā)展，下文將詳細(xì)闡述汽車 前照燈光源及發(fā)展趨勢【l】。 2 LED的恒流驅(qū)動原理 21 第1代乙炔氣前照燈 1906年，世界上第一次用1個(gè)蓄電池供電的電 燈照明。在1909年，首次把乙炔燈作為變光裝置， 而前照燈具有高的輪廓亮度，乙炔氣火焰的亮度比 當(dāng)時(shí)的電光源所能達(dá)到的亮度高出1倍，因而，在 1925年以前使用的汽車前照燈幾乎全是乙炔前照 燈。乙炔氣燈火力強(qiáng)勁，亮度極高，但是需要消耗 大量的電石。其工作原理是電石(碳化鈣)與水發(fā) 生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生乙炔氣體氣體通過過濾器從氣管 末端被點(diǎn)燃，從而發(fā)出明亮、溫和的火焰，但這種 燈的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性較差。汽車電氣系統(tǒng)成熟以后， 汽車前照燈普遍采用了電光源。 2-2第2代白熾前照燈 1913年帶螺旋燈絲的充氣白熾燈泡問世，因 其具有較高亮度給電光源前照燈開辟了廣闊的前 景。白熾燈利用熾熱的鎢絲產(chǎn)生光輻射，使電燈發(fā) 出明亮的光芒。白熾燈帶動了一場照明革命，開拓 了電光源事業(yè)的新紀(jì)元。然而由于當(dāng)時(shí)汽車電氣設(shè) 備系統(tǒng)的制約，直到1925年，電氣照明在汽車上才 得到廣泛的應(yīng)用。白熾燈的工作原理是電流通過燈 絲(鎢絲，熔點(diǎn)達(dá)3 000多攝氏度)時(shí)產(chǎn)生熱量， 螺旋狀的燈絲不斷將熱量聚集使得燈絲的溫度達(dá) 2 000 oC以上，燈絲在處于白熾狀態(tài)時(shí)，就象燒紅了 的鐵能發(fā)光一樣而發(fā)出光來。燈絲的溫度越高，發(fā) 出的光就越亮。普通白熾燈通過燈內(nèi)的金屬鎢在真 空環(huán)境下發(fā)光獲得照度。但是金屬鎢在真空環(huán)境下 通電，產(chǎn)生光的同時(shí)也產(chǎn)生鎢蒸氣，造成亮度逐漸 下降，越用燈光越暗。白熾燈應(yīng)用在汽車前照燈上 先后經(jīng)歷了可裝卸白熾燈泡、白熾真空前照燈等過 程，雖然很多車前大燈仍在使用白熾燈，但是由于 其發(fā)光效率低、壽命短等缺點(diǎn)，普通白熾燈終將逐 漸被淘汰21。 23第3代鹵素前照燈 對于普通白熾燈泡來說，要提高燈的光效，必 須提高燈絲的工作溫度。這將導(dǎo)致鎢蒸發(fā)加劇，燈 泡壽命縮短，玻殼迅速發(fā)黑，光輸出大幅度下降。 充氣能抑制鎢的蒸發(fā)，所充氣壓越高，鎢的蒸發(fā)越 小但充氣氣壓的提高受玻殼強(qiáng)度和制造工藝的限 制。如果用縮小玻殼的方法來提高機(jī)械強(qiáng)度，則燈 泡玻殼的工作溫度上升，普通玻璃難以承受，玻殼 黑化加劇：充氨氣和氙氣雖能提高光效，但因價(jià)格 昂貴而很少采用。在長期的實(shí)踐過程中，人們認(rèn)識 到鎢的蒸發(fā)是不可避免的最好能讓蒸發(fā)出來的鎢 重新返回?zé)艚z。經(jīng)過長期的研究，鹵鎢燈于1959年 試制成功。它是利用鹵鎢循環(huán)的原理制成的，玻殼 采用耐高溫的石英玻璃當(dāng)燈內(nèi)充入適量的鹵素后， 在適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下，從燈絲蒸發(fā)出來的鎢在玻壁 附近與鹵素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性的鹵鎢化合 物，當(dāng)鹵鎢化合物擴(kuò)散到溫度較高的燈絲周圍區(qū)域 時(shí)，又分解成鹵素和鎢，釋放出來的鎢沉積在燈絲 上，而鹵素則繼續(xù)擴(kuò)散到溫度較低的玻壁附近與鎢 化合，這一過程稱為鹵鎢循環(huán)或鎢的再生循環(huán)。如 此循環(huán)不已，燈絲幾乎不會燒斷，燈泡也不會發(fā)黑， 所以它要比傳統(tǒng)的白熾前照燈壽命更長、亮度更大。 現(xiàn)在的汽車大部分采用的都是這種前照燈。 鹵素?zé)粲衅洫?dú)特的配光結(jié)構(gòu)，每支燈光內(nèi)有兩 組燈絲，一組是主光束燈絲發(fā)出的燈光經(jīng)燈罩反 射鏡反射后徑直向前射去，這種光源就是我們平時(shí) 所說的“遠(yuǎn)光”。另一組是偏光束燈絲，發(fā)出的光被 遮光板擋到燈罩反射鏡子的上半部分，其反射出去 的光線都是朝下漫射向地面不會給對面來車的駕 駛者造成眩目，這種光源就是我們平常所說的“近 光”。 24第4代氙氣前照燈 氙氣燈，英文簡稱是HID(High Intensity Dis charge Lamp)，即高強(qiáng)度氣體放電燈。它所發(fā)出的光 WWWomeinfocomcn Nov2008 37 照亮度是普通鹵素?zé)舻?倍，而能耗僅為其23，使 用壽命可達(dá)普通鹵素?zé)舻膌0倍。氙氣燈極大地增加 了駕駛的安全性與舒適性，還有助于緩解人們夜間 行駛的緊張與疲勞。駕車者可在第一時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)危 險(xiǎn)，從而獲得足夠的反應(yīng)時(shí)間，很大程度減少了夜 間事故發(fā)生率。單從市場上看，氙氣前照燈有可能 會成為市場的主流。 氙燈是利用高壓、超高壓惰性氣體的放電現(xiàn)象 制成的高效率光源之一。氙氣也像汞和其他金屬原 子激發(fā)放電一樣，在適當(dāng)?shù)臈l件下會產(chǎn)生電離，發(fā) 出可見光。但是低氣壓氙氣放電的共振輻射波長很 短，都在真空紫外區(qū)，且共振輻射效率低，因此低 氣壓氙氣放電發(fā)光效率低。然而與低氣壓氙氣放電 不同，氙氣在高壓、超高壓下放電時(shí)，原子被激發(fā) 到更高的能級，并被大量地電離，在可見光區(qū)域發(fā) 射連續(xù)光譜，與日光接近，發(fā)光效率也高。 HID具體發(fā)光原理是：在石英管內(nèi)，以多種化 學(xué)氣體充填，其中大部份為氙氣與碘化物等惰性氣 體，然后再通過鎮(zhèn)流器將車上12 V的直流電壓瞬間 增壓至23 000 V，經(jīng)過高壓震幅激發(fā)石英管內(nèi)的氙 氣電子游離，在兩電極之間產(chǎn)生光源這就是所謂的 氣體放電。 在點(diǎn)亮氙氣大燈時(shí)，燈泡中間有一顆玻璃球， 里面裝的就是氙氣。當(dāng)變壓器給到23 000 V的高壓 時(shí)，氙氣被擊穿，電離之后的氙氣就會發(fā)出讓人難以 想象的光芒，同時(shí)色溫可高達(dá)5 0008 000 K，接近 正午日光的顏色，人眼的接受度及舒適度很高。由 于它的種種優(yōu)勢，HID前大燈得到了越來越多研究 者的重視，已經(jīng)有越來越多的汽車廠商將氙氣大燈 作為標(biāo)準(zhǔn)配置。但是所有這些優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)必須建 立在一套安全可靠的高性能電子鎮(zhèn)流器的基礎(chǔ)上。 這是因?yàn)殡m然金屬鹵化物燈及其電子鎮(zhèn)流器的研 究已經(jīng)非常成熟，但是汽車HID前大燈有其固有的 工作要求和特殊性。 由于氣體放電的種種特性所以電子鎮(zhèn)流器的 要求也有其特殊之處： 卜 (1)供給燈管一個(gè)35 kV的啟動電壓，使燈管 可靠點(diǎn)火，同時(shí)，當(dāng)HID氣體燈熄滅后，要再次熱 啟動，其啟動電壓達(dá)20 kV以上。 (2)含有金屬蒸氣的放電燈，在其蒸氣達(dá)到足 夠高的工作壓強(qiáng)以前，一般需要一個(gè)短的預(yù)熱時(shí)間 為了使燈管能快速穩(wěn)定，鎮(zhèn)流器在燈管被啟動后， 應(yīng)能提供一個(gè)較額定電流高的電流輸出，加速放電 管的穩(wěn)定過程。 (3)對于HID氣體燈，當(dāng)其工作頻率1 kHZ時(shí)， 會出現(xiàn)所謂的聲共振現(xiàn)象。電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)應(yīng)能 有效地解決聲共振問題。這是導(dǎo)致HID氣體燈和熒 光燈在電子鎮(zhèn)流器上存在顯著差別的最主要原因。 (4)在燈管的壽命期間，鎮(zhèn)流器應(yīng)能補(bǔ)償管壓 的增大以實(shí)現(xiàn)燈管壽命期間的恒功率輸出。 (5)鎮(zhèn)流器對于可能出現(xiàn)的過壓、過流及燈管 損壞、短路等異常情況，應(yīng)能及時(shí)啟動保護(hù)動作， 保護(hù)燈管及鎮(zhèn)流器電路。 由于車載HID電子鎮(zhèn)流器的技術(shù)要求極為嚴(yán) 格，原來的模擬電子鎮(zhèn)流器已不能精確實(shí)現(xiàn)HID燈 啟動過程中復(fù)雜的時(shí)序控制，不能區(qū)分冷，熱燈工作 圖1 數(shù)字電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)框圖 圖2 2006款雷克薩斯HID放射性頭燈 狀態(tài)造成了燈泡發(fā)光效率低、壽命縮短等缺陷。 所以現(xiàn)在的電子鎮(zhèn)流器采用單片機(jī)數(shù)字化控制方式， 如圖1所示。對HID燈的啟動過程實(shí)現(xiàn)了精確控 制，并且實(shí)現(xiàn)了比較復(fù)雜的算法，以滿足啟動過程 中恒功率、變功率等控制要求。同時(shí)，數(shù)字化控制 可以對各種故障模式做出快速反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)輸入過欠 壓、輸入反接、輸出短路、輸出開路等各種保護(hù)功 能。雖然數(shù)字電子鎮(zhèn)流器現(xiàn)在已經(jīng)在國內(nèi)投入使用， 但產(chǎn)品的技術(shù)性能還未完全成熟嗍。 25第5代白光LED前照燈 LED是Light Emitting Diode(發(fā)光二極管)的縮 寫，早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)誕生，早期主要是 指示作用。90年代后，由于以GaN為基礎(chǔ)的白光二 極管的出現(xiàn)LED的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域也發(fā)生了明顯改 變，并且開始成為白熾燈的世紀(jì)替代品，醞釀著一 場照明光源的革命。LED具有許多優(yōu)點(diǎn)，而其中最 重要的就是高度可靠性。一般來說，現(xiàn)在LED的壽 命比任何使用它們的系統(tǒng)都長，這個(gè)特性對汽車照 明系統(tǒng)領(lǐng)域最具吸引力。在這個(gè)領(lǐng)域，可靠性既是 設(shè)計(jì)安全性又是避免昂貴維修費(fèi)用的關(guān)鍵。對于汽 車照明系統(tǒng)而言LED光源相對于其它光源具有以 下優(yōu)勢： 1)LED照明不是熱發(fā)光照明光源，因此使用 壽命可達(dá)510年 2)LED光源受電壓變化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通 燈泡，顯示了卓越的安全性和可靠性，而且它完全 滿足環(huán)保節(jié)能的要求。 3)普通燈泡的啟動時(shí)間較長。一般在100300 ms， 而LED大約只有250 Ixs。對于至關(guān)重要的制動燈而 言，這樣的時(shí)間差距意味著高速行駛時(shí)相差47 m 的制動距離和大大降低的事故發(fā)生率。 4)LED的耐震動和耐沖擊性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普 參考文獻(xiàn) 通燈泡，而且有體積小和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。可 以說，LED是汽車照明系統(tǒng)非常理想的一種光源。 同時(shí)，其符合汽車燈具設(shè)計(jì)的小尺寸、低能耗、長 壽命等要求 。 3結(jié) 論 LED前照燈優(yōu)勢明顯，與傳統(tǒng)白熾鎢絲燈泡和 13光燈相比較，LED不僅具有壽命可延長l0倍， 耗電量僅10，可在高頻操作的高反應(yīng)速度和環(huán)保 等優(yōu)點(diǎn)；由于可采用平面封裝技術(shù)，設(shè)計(jì)自由度高， 對于整體汽車產(chǎn)業(yè)來說，LED車燈不但將為汽車零 部件供應(yīng)鏈帶來巨大變革，未來汽車造型設(shè)計(jì)也將 因此有更多的可靠性。即便是和HID燈相比較， LED也毫不遜色，白光LED發(fā)光效率超過氣體放電 燈已經(jīng)指日可待；而且HID需要相當(dāng)復(fù)雜的驅(qū)動電 路(電子鎮(zhèn)流器)來激發(fā)照明，而LED照明只需恒 流電路控制，大大降低了驅(qū)動成本。 、 一 網(wǎng)3奧迪車型LED前照燈 當(dāng)然。白光LED前照燈離量產(chǎn)使用還有一定距 離，仍有諸多技術(shù)及設(shè)計(jì)瓶頸尚待攻克。例如光學(xué)設(shè) 計(jì)、散熱設(shè)計(jì)以及整體構(gòu)造等，但這些問題目前已有 相關(guān)的技術(shù)方案可以解決。目前全球各大汽車展 中都能看到以白光LED作為汽車頭燈的概念車款， 如圖3所示，不僅外觀別致，也比較實(shí)用，這都令人們 感覺到白光LED前照燈的實(shí)用化已經(jīng)越來越近51。 (No7) 【1】沈培宏LED頭燈現(xiàn)狀【J燈與照明，2006，30(3)：3639 2】朱小清，林翰照明技術(shù)手冊M】北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004，7677 WWWomeinfocorncn 39 Nov2008 【3王斌，曾家黔，胡立雪一種數(shù)字控制HID燈電子鎮(zhèn)流器的研制J】微電子學(xué)，2005，35(5)：539541 41t學(xué)，吳廣寧，蔣偉，李生林LED在汽車照明系統(tǒng)中的應(yīng)用J】燈與照明，2007，31(1)：3740 【5倪爾東LED汽車新光源D武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005 卜