LED汽車燈具分析及試驗(yàn)方法研究

劉 然，陳 萍，張華樹，陳積先，武華堂

（國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽(yáng)），湖北 襄陽(yáng) 441004）

LED汽車燈具分析及試驗(yàn)方法研究

劉 然，陳 萍，張華樹，陳積先，武華堂

（國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽(yáng)），湖北 襄陽(yáng) 441004）

重點(diǎn)介紹LED光源的優(yōu)越性和常用的2種LED調(diào)光方式，包括模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。結(jié)合試驗(yàn)室現(xiàn)有的配光測(cè)試設(shè)備，對(duì)LED汽車燈具配光測(cè)試進(jìn)行分析研究。

汽車燈具；LED；模擬調(diào)光；PWM調(diào)光；配光測(cè)試

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和生活水平的迅速提高， 人們不僅對(duì)當(dāng)代汽車的外觀、經(jīng)濟(jì)性、操縱性和舒適性有不斷追求，而且對(duì)汽車的安全性問(wèn)題也越來(lái)越多地關(guān)注。汽車燈具作為汽車主動(dòng)安全的重要構(gòu)成部分，也成為了各大主機(jī)廠及燈具廠的重點(diǎn)創(chuàng)新對(duì)象。燈具的改良與變更程度成為一個(gè)車型改款的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

隨著新光源不斷被應(yīng)用于汽車車燈中，以及光學(xué)設(shè)計(jì)水平的不斷提高，汽車燈具的發(fā)展日新月異。汽車燈具的光源經(jīng)歷了從最初的白熾燈過(guò)渡到鹵素?zé)?，再過(guò)渡到HID燈（即氣體放電燈），再到目前比較主流的LED光源的過(guò)程［1］。從上個(gè)世紀(jì)90年代開始，汽車的室內(nèi)燈、開關(guān)控制面板的背光開始使用LED，各類信號(hào)燈也基本都開始使用LED。LED光源的前照燈首次亮相是出現(xiàn)在豐田研發(fā)的2008年款雷克薩斯LS600CH上，隨后越來(lái)越多的車型開始配備LED前照燈。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，LED的價(jià)格越來(lái)越低廉，以及LED光源的眾多優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多車型上的越來(lái)越多功能采用LED光源。圖1所示為一款全LED的前組合燈，包含的功能有前照燈（AFS）、前位燈、前轉(zhuǎn)向信號(hào)燈和晝間行駛燈。本文重點(diǎn)討論LED汽車信號(hào)燈。

1 LED光源的優(yōu)點(diǎn)

LED作為汽車照明的最新一代光源，相較于傳統(tǒng)的燈泡光源主要有壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、節(jié)能環(huán)保、體積小等優(yōu)點(diǎn)［2-3］。

圖1 全LED前組合燈

1.1 使用壽命長(zhǎng)

LED的正常工作壽命可達(dá)10萬(wàn)h，其發(fā)光原理是利用固體半導(dǎo)體芯片實(shí)現(xiàn)電能與光能的轉(zhuǎn)換，通常LED顆粒外面會(huì)使用環(huán)氧樹脂等封裝材料對(duì)芯片進(jìn)行封裝。由于封裝材料具有柔性和熱性，這就會(huì)使得LED具有一定的抗震性能，因此，LED可以承受高強(qiáng)度的機(jī)械沖擊。若汽車燈具采用普通燈絲燈泡作為光源，由于燈絲強(qiáng)度有限，在車輛的劇烈振動(dòng)中燈絲易于斷裂。若采用LED作為光源，就能很好的避免這一問(wèn)題，因?yàn)長(zhǎng)ED依靠PN結(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)光，不涉及燈絲。通常若汽車燈具采用LED作為光源，能夠做到終身不需要更換。

1.2 響應(yīng)時(shí)間快

LED光源的發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短，大約只有60 ns左右，遠(yuǎn)小于白熾燈的響應(yīng)時(shí)間，比氣體放電燈的響應(yīng)時(shí)間也短。因此，將汽車制動(dòng)燈的光源設(shè)計(jì)為L(zhǎng)ED光源具有很大的優(yōu)勢(shì)。利用這一優(yōu)點(diǎn)，將汽車制動(dòng)燈功能選擇LED作為光源，相較于普通的燈泡而言，當(dāng)前車緊急制動(dòng)時(shí)，后面車輛的駕駛員會(huì)提前看到信號(hào)，從而可以提前進(jìn)行制動(dòng)，有效地減少發(fā)生2車相撞的交通隱患。

1.3 節(jié)能環(huán)保

首先，LED光源相較于其他的光源而言，發(fā)光效率高。白熾燈的發(fā)光效率最高為17 lm/W，熒光燈的發(fā)光效率最高為90 lm/W， LED的發(fā)光效率可達(dá)到100 lm/W以上，這樣產(chǎn)生同樣的光通量LED光源只需要消耗更少的電量，從而更好地做到了低碳環(huán)保。其次，發(fā)光二極管的生產(chǎn)工藝中不包含熒光燈生產(chǎn)工藝中使用的汞，所以可以認(rèn)為L(zhǎng)ED是一種環(huán)保、無(wú)害的光源。

1.4 體積小

LED芯片的尺寸通常是0.3×0.3 mm2～1.0×1.0 mm2，并且LED發(fā)光具有很好的方向性，能夠在小的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)汽車燈具的配光要求。同時(shí)還增大了汽車燈具造型設(shè)計(jì)的自由度，使得車燈的設(shè)計(jì)能夠更加精巧。

1.5 可調(diào)控性強(qiáng)

通過(guò)施加不同的電壓或者電流，LED顆?？梢援a(chǎn)生不同的亮度。在汽車燈具的應(yīng)用上，例如較為常見的汽車前位燈與晝間行駛燈混合或者后位燈與制動(dòng)燈混合時(shí)，就易于控制各功能的發(fā)光強(qiáng)度。

2 LED調(diào)光電路介紹

由于LED的優(yōu)越性，越來(lái)越多的汽車燈具光源均選用LED。目前有些比較主流的汽車燈具設(shè)計(jì)趨勢(shì)，例如，若前組合燈中晝間行駛燈和前位燈功能均為L(zhǎng)ED光源，后組合燈中后位燈與制動(dòng)燈均為L(zhǎng)ED光源時(shí)，則通常2個(gè)功能的組合情況為混合，高位制動(dòng)燈通常也是LED光源。圖2所示為前位燈和晝間行駛燈光源均為L(zhǎng)ED的某前組合燈，2個(gè)功能混合。燈具左邊緣和下邊緣組成的‘L’型部分，即為2功能共用的發(fā)光面。按照現(xiàn)行國(guó)標(biāo)要求，汽車燈具的部分功能根據(jù)不同需求是可以有2個(gè)不同的發(fā)光等級(jí)的［4-5］，例如汽車后轉(zhuǎn)向信號(hào)燈和汽車制動(dòng)燈（S2類）。若燈具采用LED顆粒作為光源，則實(shí)現(xiàn)不同的功能或者同一功能的不同發(fā)光等級(jí)時(shí)，可以采用相同的LED顆粒光源，僅僅只需要通過(guò)調(diào)節(jié)LED顆粒的發(fā)光強(qiáng)度。LED調(diào)光通常有2種調(diào)光方式，分為模擬調(diào)光和PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)光。

2.1 模擬調(diào)光

模擬調(diào)光的原理比較簡(jiǎn)單，即通過(guò)電位器調(diào)節(jié)電路中的電阻的大小來(lái)調(diào)節(jié)流過(guò)LED顆粒的電流大小，從而調(diào)節(jié)LED的亮度。模擬調(diào)光實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但是受硬件的限制，調(diào)光范圍大約只有10：1。在10：1的亮度調(diào)節(jié)時(shí)，就損失超過(guò)25 %的準(zhǔn)確度，而且也使LED產(chǎn)生色彩失真，就會(huì)影響光色的判定。同時(shí)，由于LED的正向電流和光輸出并不是嚴(yán)格地呈現(xiàn)正比關(guān)系，所以模擬調(diào)光并不精確。雖然模擬調(diào)光有一些缺點(diǎn)，但是10：1的調(diào)光范圍已經(jīng)足以應(yīng)用在汽車燈具上，而且其模擬調(diào)光電路實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，成本較低，因此可廣泛應(yīng)用于大量汽車燈具之中。

2.2 PWM調(diào)光

PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)光［6］的原理是通過(guò)改變流過(guò)LED串中恒定電流的占空比，改變LED串中的平均電流，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，LED顆粒一部分時(shí)間被點(diǎn)亮，一部分時(shí)間熄滅，當(dāng)脈沖頻率大于100 Hz時(shí)，由于人眼存在的視覺(jué)暫留效應(yīng)，就會(huì)感覺(jué)LED顆粒一直處于持續(xù)點(diǎn)亮的狀態(tài)。由于可以高精度地控制脈沖波形的占空比，因此PWM調(diào)光可以有很高的調(diào)光精度，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光，調(diào)光范圍大。圖3中顯示了3種不同的PWM信號(hào)，圖中a是占空比為10 %的PWM輸出，即在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，10 %的時(shí)間通，剩余的90 %的時(shí)間斷；圖中b顯示的是占空比為50 %的PWM輸出；圖中c顯示的是占空比為90 %的輸出。因通過(guò)LED的電流大小始終保持不變，所以PWM調(diào)光并不會(huì)改變LED的光色。

圖2 前位燈與晝間行駛燈混合的某前組合燈

圖3 3種不同PWM信號(hào)

通常，國(guó)內(nèi)外一些大中型的燈具廠家一般會(huì)選擇PWM調(diào)光方式來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車燈具不同功能，或者同一功能不同發(fā)光級(jí)別的調(diào)光。例如，某廠家A的一款后組合燈中后位燈、制動(dòng)燈、后轉(zhuǎn)向信號(hào)燈的光源均為L(zhǎng)ED光源。其中，后位燈與制動(dòng)燈混合，當(dāng)持續(xù)提供高電平，即占空比為100 %時(shí)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)燈功能；當(dāng)在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，40 %的時(shí)間導(dǎo)通，其余60 %的時(shí)間斷開，即占空比為40 %時(shí)，實(shí)現(xiàn)后位燈的功能。同樣，對(duì)于有2個(gè)發(fā)光級(jí)別的后轉(zhuǎn)向信號(hào)燈而言，當(dāng)其白天工作時(shí)，占空比100 %，即一直處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)后轉(zhuǎn)向信號(hào)燈在夜晚工作時(shí)，在為他人提供信號(hào)的同時(shí)，也要避免造成他人眩目，因此其發(fā)光強(qiáng)度需要比白天工作時(shí)要小，因此通過(guò)PWM調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，占空比為40 %。該后組合燈中，實(shí)現(xiàn)后位燈和夜晚發(fā)光的后轉(zhuǎn)向信號(hào)功能的脈沖調(diào)制頻率均為100 Hz，恰好能使觀察者感覺(jué)其一直處于持續(xù)點(diǎn)亮的狀態(tài)。

3 LED功能配光測(cè)試國(guó)標(biāo)要求

按照現(xiàn)行國(guó)標(biāo)，針對(duì)LED功能的汽車燈具的公告和3C認(rèn)證，除了前霧燈和倒車燈外，配光性能的測(cè)試結(jié)果需要滿足：點(diǎn)亮經(jīng)過(guò)1 min和30 min的測(cè)量結(jié)果都應(yīng)該符合相應(yīng)的發(fā)光強(qiáng)度最小值和最大值的要求。點(diǎn)亮1 min后的發(fā)光強(qiáng)度分布，通過(guò)使用點(diǎn)亮1 min后和30 min后的HV點(diǎn)的測(cè)得的發(fā)光強(qiáng)度的比值，從點(diǎn)亮30 min后發(fā)光強(qiáng)度分布中計(jì)算得到。對(duì)于LED前照燈，在其點(diǎn)亮1 min后和光度穩(wěn)定后，其測(cè)試點(diǎn)和區(qū)域的照度值都應(yīng)該滿足最大值和最小值的要求。同時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)要求，前照燈近光用LED光源或LED模塊目標(biāo)光通量應(yīng)不小于1 000 lm［7］。現(xiàn)行國(guó)標(biāo)目前并未對(duì)LED光源的信號(hào)燈的光通量有明確規(guī)定。

4 配光測(cè)試實(shí)現(xiàn)方法

4.1 配光測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)室配光測(cè)試設(shè)備采用的是德國(guó)L M T （Lichtmesstechnik GmbH Berlin）公司生產(chǎn)的光度測(cè)試系統(tǒng)，型號(hào)為GO-H1400，配備有常規(guī)的發(fā)光強(qiáng)度測(cè)試傳感器和PWM傳感器。PWM光度計(jì)的采樣速度大約為12次/s，模擬積分時(shí)間恒定為20 ms，能夠測(cè)量的最佳脈寬調(diào)制光源的頻率范圍在80～200 Hz。若采用普通的光強(qiáng)傳感器探頭測(cè)試PWM調(diào)光的汽車燈具的LED功能，則顯示器上的讀數(shù)結(jié)果會(huì)一直跳動(dòng)，波動(dòng)幅度非常大，測(cè)試結(jié)果極度不準(zhǔn)確。因此，若某LED功能采用PWM調(diào)光，就需要采用專門的PWM傳感器進(jìn)行測(cè)試。

4.2 LED燈具配光測(cè)試分析

通常，對(duì)于普通LED汽車信號(hào)燈可以直接外接13.5 V或者28 V試驗(yàn)電壓進(jìn)行配光測(cè)試，采用普通的發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)試傳感器探頭可以直接測(cè)量，只需要電源提供直流電壓即可。一般來(lái)說(shuō)，普通LED汽車燈具的點(diǎn)亮只需要2個(gè)接線端子，一個(gè)接入電源正極，一個(gè)接入電源負(fù)極。若是采用模擬調(diào)光實(shí)現(xiàn)不同燈具功能或者同一功能的不同發(fā)光級(jí)別，由于共用LED顆粒，因此通常燈具廠的電路設(shè)計(jì)為共用同一負(fù)極，不同的正極對(duì)應(yīng)不同的功能，且燈具內(nèi)部電路已經(jīng)設(shè)計(jì)集成好。若LED采用PWM調(diào)光，對(duì)于上章中提及的制動(dòng)燈而言，由于其額定電壓為12 V，因此在試驗(yàn)時(shí)只需要提供13.5 V的試驗(yàn)電壓直流信號(hào)即可，測(cè)試過(guò)程中也只需要選擇普通的傳感器。

目前試驗(yàn)過(guò)程中需要利用PWM探頭進(jìn)行測(cè)試的通常有2種情況：一種是直接按照廠家要求的占空比、頻率和電壓值提供方波電壓信號(hào)，直接將方波電源接入測(cè)試功能的正負(fù)極端子即可；另一種情況是燈具內(nèi)部電路已經(jīng)集成好，只需要提供脈沖信號(hào)，相當(dāng)于是提供一個(gè)激勵(lì)信號(hào)即可。

4.3 PWM調(diào)光LED燈具配光測(cè)試實(shí)現(xiàn)

本文第2部分內(nèi)容中提及的廠家A的后組合燈中的后位燈功能的實(shí)現(xiàn)屬于前一種情況。當(dāng)進(jìn)行配光測(cè)試時(shí)，就需要按照廠家要求提供占空比為40 %、頻率為100 Hz、幅值為13.5 V的方波電壓。目前，現(xiàn)有設(shè)備無(wú)法提供脈沖電壓，且廠家未能提供電源控制器。結(jié)合試驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，可以利用信號(hào)發(fā)生器和功率放大器實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)室現(xiàn)有的信號(hào)發(fā)生器由臺(tái)灣固緯生產(chǎn)見圖4，型號(hào)為GFG-8016G，能提供信號(hào)的頻率范圍為0.2 Hz～2 MHz。

圖4 信號(hào)發(fā)生器

雖然信號(hào)發(fā)生器能直接提供方波電壓信號(hào)，但是其并不能輸出大電流，最大輸出電流一般為20 mA。若電流過(guò)大，輸出電壓會(huì)拉低，甚至可能燒壞信號(hào)發(fā)生器。因此信號(hào)發(fā)生器并不能直接作為電源使用，所以還需要將信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)接入功率放大器。只需要提供脈沖激勵(lì)信號(hào)時(shí)，將信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)直接接入電路即可。功率放大器為試驗(yàn)室已有的舊設(shè)備，如圖5所示。

圖5 功率放大器

首先對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行調(diào)節(jié)：DUTY旋鈕調(diào)整占空比；OFFSET旋鈕調(diào)節(jié)信號(hào)輸出的直流分量，即將整個(gè)輸出信號(hào)上移或下移；AMPL旋鈕調(diào)節(jié)輸出函數(shù)信號(hào)幅度大小，即調(diào)節(jié)高電平。OUT50Ω接輸出，該端子輸出的電壓幅值可調(diào)。調(diào)節(jié)過(guò)程中先調(diào)占空比再調(diào)頻率，再調(diào)電壓。若先調(diào)頻率，再調(diào)占空比，頻率會(huì)發(fā)生變化?？梢岳萌f(wàn)用表測(cè)試輸出信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的占空比。然后將信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)接入功率放大器的輸出端，通過(guò)調(diào)節(jié)功放得到指定的電壓信號(hào)。需要注意的是，該功放的輸出信號(hào)會(huì)反向，因此若需得到占空比40 %的方波電壓，功放的輸入需為占空比為60 %的方波電壓。在調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器和功率放大器的過(guò)程中，需將功放的輸出信號(hào)接入示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不斷調(diào)節(jié)得到所需的方波電源信號(hào)，從而進(jìn)行配光測(cè)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹目前汽車燈具的發(fā)展趨勢(shì)，說(shuō)明LED光源的汽車燈具越來(lái)越常見，重點(diǎn)闡述了LED光源的優(yōu)點(diǎn)。然后，詳細(xì)介紹LED常見的模擬調(diào)光和PMW調(diào)光2種方式的調(diào)光原理。同時(shí)，簡(jiǎn)要描述了現(xiàn)行國(guó)標(biāo)對(duì)汽車燈具中的LED功能配光測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)要求。最后，結(jié)合試驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備，具體分析了不同調(diào)光方式的LED汽車燈具的配光測(cè)試實(shí)現(xiàn)方法，重點(diǎn)描述如何利用試驗(yàn)室常見的設(shè)備實(shí)現(xiàn)燈具的方波電壓供電。

［1］凌銘，張建文，黃中榮.汽車燈具的發(fā)展趨勢(shì)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2013，24（4）：106-112.

［2］謝望.基于LED的汽車后霧燈模塊組設(shè)計(jì)［D］.上海：上海交通大學(xué)，2012.

［3］高鐵成.高效率LED汽車前照燈關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2013.

［4］GB 5920-2008，汽車及掛車前位燈、后位燈、示廓燈和制動(dòng)燈配光性能［S］.

［5］GB 17509-2008，汽車及掛車轉(zhuǎn)向信號(hào)燈配光性能［S］.

［6］顏杰.LED照明系統(tǒng)的研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué).2012.

［7］GB 25991-2010，汽車用LED前照燈［S］.

（編輯 凌 波）

LED Auto Lamps Analysis and Testing Methods Study

LIU Ran， CHEN Ping， ZHANG Hua-shu， CHEN Ji-xian， WU Hua-tang
（National Automobile Quality Supervision and Test Center（Xiangyang）， Xiangyang 441004， China）

This article mainly introduces the advantages of LED light source and two common methods for LED dimming， including analog dimming and PWM dimming. At the same time， combining with laboratory light distribution test equipment， the test of LED auto lamps light distribution is analyzed

auto lamp; LED; analog dimming; PWM dimming; light distribution test

U463.65

A

1003-8639（2017）06-0062-04

2016-11-29

劉然（1990-），女，助理工程師，碩士，目前主要從事燈光電器試驗(yàn)研究。