毕业设计毕业论文LED在汽车照明领域的应用与电路设计.docx
- 文档编号:9192979
- 上传时间:2023-05-17
- 格式:DOCX
- 页数:36
- 大小:794.54KB
毕业设计毕业论文LED在汽车照明领域的应用与电路设计.docx
《毕业设计毕业论文LED在汽车照明领域的应用与电路设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计毕业论文LED在汽车照明领域的应用与电路设计.docx(36页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
毕业设计毕业论文LED在汽车照明领域的应用与电路设计
摘要
汽车光源在照明的领域中占有极其重要的地位,汽车照明的产量占整个照明光源总产量的10%左右。
LED作为一种新型的固态光源,正在逐渐被应用在汽车的照明系统中。
LED是继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。
LED具有结构简单、无延迟、节能效果显著、重量轻、安全性能好、抗震、无污染、免维护和寿命长等特征。
LED已成为钨丝灯、卤素灯的必然取代产品,将成为汽车的第四代照明光源。
在通用照明LED技术尚未成熟前,车用市场是最被看好的LED市场。
本文从LED在汽车照明系统中应用的可行性入手,分析了LED在汽车低照度及高照度照明中的应用,对LED应用于汽车照明系统存在的问题进行了分析,并设计了一个LED驱动电路。
关键词:
LED,汽车照明,刹车灯,LED驱动电路,Protel99
ABSTRACT
Automotivelightsourceshaveanextremelyimportantpositioninthefieldofthelighting.LEDisanewtypeofsolid-statelightsources.LEDisgraduallybeingusedintheautomotivelightingsystems.LEDhasalotofadvantagessuchassimplestructure,withoutdelayenergy-saving,lightweight,safety,earthquake,pollution-free,maintenance-freeandlonglife.LEDhasreplacedthetungstenlampandthehalogenlamps.LEDisbecomingthefourthgenerationlightingofautomotivelighting.BeforetheLEDQlightingtechnologyisgeneralbecomesmaturethevehiclemarketisthemostoptimisticabouttheLEDmarket.ThisarticleanalyzesLEDinthelowlightintensityandthehighlightintensityapplicationfromthefeasibilitythatLEDappliesintheautomobilelightingsystem.AndanalysisthequestionthatLEDappliedintheautomobilelightingsystem。
AndIdesignaLEDdrivercircuit.
Keywords:
LED,automobilelighting,brakelight,LEDdriver,Protel99
1绪论
1.1引言
汽车灯具从最原始的蜡烛灯,发展到现在普遍使用的白炽灯,近几年来又出现新型得HID灯以及LED灯。
LED车灯被称为第四代汽车光源。
LED车灯拥有质量好、使用寿命长、无污染等白炽灯无法比拟的优点。
LED化是车灯发展的一个大趋势,也必将是汽车照明系统发展史上的一次飞跃。
目前中国有购车能力的家庭为2000万户。
2002年中国汽车产销量为325万辆,2003年产销量是30万辆,2004年的产销量是515万辆,2005年我国汽车销量已达到590万辆,首次超过日本成为继美国后的第二大新车消费市场。
2008年,我国新车销售938.05万辆,同比增6.70%,而美国汽车市场的新车总销量则为1320万辆,比2007年的1610万辆减少300多万辆,降幅达18%。
据预计到2025年,中国汽车市场的规模将达到目前美国汽车市场的规模。
中国已经成为当今世界汽车销售增长最快的地区[1]。
中国汽车消费市场的不断增长必将带动汽车照明市场的发展,LED汽车灯作为汽车照明灯具的必然趋势,将会在中国有长足的发展。
中国也将会成为LED汽车灯具的最大消费市场。
基于LED在汽车照明领域存在的大量优势,以及汽车照明未来在中国的发展趋势,本次论文主要的研究方向是着重于LED汽车照明灯的研究、应用以及LED汽车刹车灯的设计。
论文的第一章介绍了车用灯源的发展、LED灯的简介及其发展趋势,第二章介绍LED与其他汽车光源的性能特性的分析比较,第三章介绍LED在汽车照明领域的应用,第四章对LED车用光源设计进行了分析,第五章介绍了LED车用刹车灯的硬件设计,第六章为小结。
1.2车用光源的发展
汽车灯具的心脏是光源,汽车灯具的演变随着汽车光源的变化而发生着改变,大体上车用光源经过了如下的四个阶段:
第一代的汽车照明光源是由燃料来直接燃烧发光,它只能满足早期汽车使用灯具要求,但存在发光效率低、光亮强度弱、光源性能不能稳定、使用操作复杂等明显的缺点。
第二代的汽车光源是白炽灯。
1879年爱迪生发明白炽灯,1913年美国首先将白炽灯技术应用在凯迪拉克汽车的前照灯上,自此汽车灯具发生了革命性的变化,汽车照明开始进入了电气时代。
后来又先后出现了汽车反光镜、发电机、蓄电池等新技术,1925年汽车开始真正进入了白炽灯汽车灯具的时代。
20世纪50年代开始又出现卤钨灯,它很快成为汽车照明中强光源的主要灯具。
第三代的汽车光源是气体放电灯(HID)。
它具有高发光效率、高可靠性和高亮度等性能优点,HID将替代白炽灯和卤钨灯成为新型的汽车前照灯的适用光源。
第四代汽车光源是半导体发光二极管(LED)。
LED不是通过热能使物体升温而发光,它是由电能直接转换为光,因而LED被称为冷光。
1.3LED发光二极管的简介
LED是英文lightemittingdiode的缩写,即:
光线激发二极管,是属于一种半导体元器件。
单个的LED是有金线、LED芯片、反射环、阴极导线、塑料导线、阳极导线组成。
图1-1是LED的横截面图。
图1-15mmLED横截面图
发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。
在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。
LED的发光过程包括三部分:
正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。
微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中,当电子经过该晶片时,带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合,电子和空穴消失的同时产生光子。
电子和空穴之间的能量(带隙)越大,产生的光子的能量就越高。
光子的能量反过来与光的颜色对应,可见光的频谱范围内,蓝色光、紫色光携带的能量最多,桔色光、红色光携带的能量最少。
由于不同的材料具有不同的带隙,从而能够发出不同颜色的光。
当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。
打个比方,LED就像一个汉堡,可以发光的材料是夹层中的“肉饼”,而上下的电极就是夹肉的面包。
而通过对其中发光材料的研究,人们逐渐开发出各种光色、光效率越来越高的LED元件,但是无论怎么变化,LED总的发光原理和结构都没有发生太大的变化[2]。
图1-2LED发光原理
1.4LED照明技术的发展历程
在LED刚刚出现的时候,其发光的颜色和效率都比较低。
当时主要使用的发光材料是“GaAsP”,驱动电流在20mA,只能发出红色的光,而且发光效率只有0.1流明/瓦,因此亮度仅仅能够满足一些仪表、电器上的指示之用,并没有得到广泛的使用和注意。
而在随后的几十年里,一些新的发光材料被逐步引入到LED当中,LED逐渐开始显露出强劲的发展后劲。
在70年代中期,通过引入元素In和N,使得LED可以发出波长为555纳米的绿光、波长为590纳米的黄光和波长为610纳米的橙光,同时发光效率也提高到了1流明/瓦。
到了80年代初,又出现了使用GaAlAs的LED光源,使得红色LED的光效达到10流明/瓦。
而进入90年代后,能发出红光、黄光的GaAlInP和发出绿光、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功,使LED的光效得到大幅度的提高。
在2000年,前者做成的LED在红、橙色光区域(波长615纳米左右)的光效达到100流明/瓦,而后者制成的LED在绿色区域(波长为530纳米)的光效也可以达到50流明/瓦。
不仅超过了传统的白炽灯,而且和发光效率较高的荧光灯已经非常接近。
而按照材料科学的发展速度,发光效率能达到200流明/瓦的LED也将在较快的时间内问世。
而在LED发光技术的发展史上,白光型LED的出现,则成为LED进入快速发展阶段的重要突破。
在上世纪末,受到荧光灯发光原理的启发,LED厂家通过在高亮度蓝光LED管芯上加一层荧光粉,用蓝光激发荧光粉发出白光的LED发光元件。
此外,通过采用不同的荧光粉,可发出色温为4500~10000K及色温为2850~3800K的多种白光LED,也让白光LED具备了成为新一代照明设备的能力。
目前,白光LED的发光效率大都已超过30流明/W,某些产品已超过50流明/W的水平,具备了正式大规模实用化的基础。
经过这么多年的发展,LED照明发光技术已经便成为一种相对成熟的事物,市面上不仅有能发出各种色彩的LED产品,也出现了大量可以用于直接照明的LED产品,此外,在显示领域,LED产品也经历了从单色到彩色,从低分辨的文字到高分辨率图像显示的进化过程,正在日益影响着我们的生活和工作。
1.5LED车用光源的发展趋势分析
1.5.1国际发展趋势
世界目前LED产业投资是很热的一个重点项目,全球各国对 LED的研发生产都比较重视。
日本已经实现1998-2002年耗费50亿日元推行白光照明,整个计划的财政预算为60亿日元。
同样的美国在2000年制定的“下一代照明计划”被列入了能源法案,计划从2000-2010年,投资5亿美元,用LED取代55%的白炽灯和荧光灯,预计到 2025年,固态照明光源的使用将使照明用电减少一半,每年节电额达350亿美元,形成一个每年产值超过 500亿美元的半导体照明产业市场。
图1-32002-2011年全球LED市场规模预估
1.5.2国内发展趋势
我国也正在加快LED发展的步伐。
未来5年,我国也将把半导体照明作为一个重大工程进行推动。
中国是电子制造业的大国,并且正在迅速发展,国内的手机、汽车等产业是LED发展的巨大推动力,而且随国家半导体照明工程的发展,国内LED产业具有广阔的发展前景。
2008年中国在发展LED产业方面已有很大优势。
首先,中国有很大的市场需求。
其次,从资源角度看,中国具有丰富的有色金属资源。
再有就是半导体照明产业是一个技术密集型和劳动密集型的产业,比较适合中国的国情。
如果中国能够在外延、芯片的制备以及自主封装技术方面坚持自主创新,完全有可能实现中国半导体照明产业的跨越式发展。
预计2010年中国整个LED产业的产值将超过千亿元。
图1-42001-2006年中国LED照明市场规模
图1-52006-2010年中国LED照明市场规模
2LED与其他车用光源性能特性分析比较
2.1引言
随着汽车工业的迅猛发展,汽车照明用电快速增加,不仅要增加大量的电源投资,而且还会产生污染。
照明对能源及其环境方面的影响引起人们的关注。
为此,工业发达国家纷纷制定了绿色照明工程计划。
如美国环保属在1992年启动了绿色照明工程,我国也在1996年正式启动了绿色照明工程,所谓绿色照明就是在保证照明质量的前提下节约照明用电,减少因照明用电增加而导致的环境危害。
毫不例外,汽车上同样大力提倡采用既节能又环保的光源,实施绿色节能照明。
2.2LED车用光源的优势
(1)节能化
研究资料表明,由于LED是冷光源,半导体照明自身对环境没有任何污染,与白炽灯、荧光灯相比,节电效率可以达到90%以上。
在同样亮度下,耗电量仅为普通白炽灯的1/10,荧光灯管的1/2。
如果用LED取代我们目前传统照明的50%,每年我国节省的电量就相当于一个三峡电站发电量的总和,其节能效益十分可观。
表2-1是LED与各种车用灯具参数的比较。
可以清楚地看到LED在节能方面的突出优势。
表2-1各种灯具节能率比较
参数
普通白炽灯
T5荧光灯
高压钠灯
金属卤化物灯
照明LED
节能率
无
与T8相比节能18%
与高压汞灯相比节电37%
与高压汞灯比节电30%
与高压钠灯比节能3A:
0.3A10倍
(2)发光效率高
LED经过几十年的技术改良,其发光效率有了较大的提升。
白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦,荧光灯50~70流明/瓦,钠灯90~140流明/瓦,大部分的耗电变成热量损耗。
LED的光效经过改良后将达到达50~200流明/瓦,而且其光的单色性好、光谱窄,无需过滤可直接发出有色可见光。
目前,世界各国均加紧提高LED光效方面的研究,在不远的将来其发光效率将有更大的提高。
表2-2是LED与其他车用光源在发光效率上的比较。
表2-2各种灯具发光效率比较
参数
普通白炽灯
T5荧光灯
高压钠灯
金属卤化物灯
照明LED
光效
12Lm/W
96Lm/W
100-120Lm/W
75-95Lm/W
50Lm/W
(目前达到75m/W)
(3)健康化
LED是一种绿色光源。
LED灯直流驱动,没有频闪;没有红外和紫外的成分,没有辐射污染,显色性高并且具有很强的发光方向性;调光性能好,色温变化时不会产生视觉误差;冷光源发热量低,可以安全触摸;这些都是白炽灯和日光灯达不到的。
它既能提供令人舒适的光照空间,又能很好地满足人的生理健康需求,是保护视力并且环保的健康光源。
(4)使用寿命长
采用电子光场辐射发光,灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。
而采用LED灯体积小、重量轻,环氧树脂封装,可承受高强度机械冲击和震动,不易破碎。
平均寿命达10万小时。
LED灯具使用寿命可达5~10年,可以大大降低灯具的维护费用,避免经常换灯之苦。
表2-3是LED与其他车用照明灯在使用时间上的比较。
表2-3各种灯具使用时间比较
参数
普通白炽灯
T5荧光灯
高压钠灯
金属卤化物灯
照明LED
使用时间
2000小时
10000小时
15000小时
15000小时
50,000小时
(5)响应速度快
以刹车灯和方向指示灯为例,假设车辆时速为125公里/小时,即35米/秒时,白炽灯的热启动时间约为250毫秒,而与白炽灯相比,LED可提早约8米距离发出刹车警告,从而有效避免汽车相撞。
转弯指示灯也是如此。
(6)有利于环保
LED为全固体发光体,耐震、耐冲击不易破碎,废弃物可回收,没有污染。
光源体积小,可以随意组合,易开发成轻便薄短小型照明产品,也便于安装和维护[3]。
2.3LED车用光源存在的主要问题
(1)价格问题
LED汽车灯除上述优点外,还有一些障碍需要跨越。
首先价格是一个主要问题,LED汽车灯比卤素灯和白炽灯贵的多。
进口LED汽车刹车灯的零售价格从24.50到58.00美元不等。
(2)LED的热管理问题
LED的多数电能均转化成传导热而不是辐射热,并不能很好地进行车内照明,更重要的是热量将导致LED半导体温度过高,很容易损坏;同时LED车灯的流明并没有随电流同比增长,即用电多也不一定会亮得更明显;而LED发光具有明显的方向性,照射广角度不够;外界环境温度对LED灯的影响同样巨大,所以对它的热管理是最根本需要解决的问题,这涉及对电流元器件,尤其是热敏电阻器的控制与管理,电流的线性控制是LED能否正常并安全工作的关键。
LED会随温度与电流的变化而改变颜色,可能影响夜视效果和距离判断;电流频率甚至可能导致光线频繁闪烁。
同时,大部分国家与汽车照明相关的法律对LED车灯并没有太多的支持,也限制了它的发展。
2.4小结
作为一种出现时间最晚的照明技术,LED的优点不仅体现在发光质量方面,更在生产、制造、易用性等各方面都要大大超越白炽灯、荧光灯等传统光源。
现在的LED发展非常快,光效在不断地提高,在这个前提下,汽车用LED灯将会越来越普遍,其低能耗、小型化、无需维护和设计上自由度较大等优点是让人很期待的。
3LED在汽车照明领域的应用
3.1引言
最近几年,燃料费的变化让汽车都力求低能耗,这就使得汽车上的LED应用越来越多,并有取代汽车密封式前大灯和其他汽车用白炽灯的趋势。
图3-1标示了汽车中LED灯具的主要安装位置。
本章节就是对LED在汽车上的应用所作的介绍。
3-1汽车中主要LED灯具的安装位置
3.2车灯分类与基本要求
汽车灯具总成的基本组成部分是灯光组,灯光组包括三部分:
光源(灯泡)、反射镜及透光镜。
汽车灯具以其功能不同可分为两大类:
照明灯具和信号灯具。
照明灯具包括:
前照灯(近光灯和远光灯)、前雾灯、倒车灯、侧照灯等;
信号灯具包括:
位置灯、示廊灯、转向信号灯、制动灯、后雾灯、牌照灯以及回复反射器等。
其中,前雾灯和倒车灯既是照明灯也是信号灯。
1.前照灯
前照灯即俗称的前大灯,以其装用的光源不同,可分为气灯(气体放电灯)及电灯。
电灯又分为白炽灯和卤钨灯。
目前,我国主要使用的白炽灯泡,前照灯包括近光灯及远光灯。
近光灯是当车辆前方有其它道路使用者时,不致使对方炫目或不舒适感所使用的近距离照明灯具,即会车时使用的灯;远光灯是当车辆前言无其它道路使用者时所使用的远距离照明灯具。
从前照灯的型号来看,照明灯(前大灯)大致分四种:
H1、H3、H4、H7等型号。
日本车的车灯型号大多为H4;欧洲车的车灯型号是H1、H3、H7、D2S/R;美国车的车灯型号则为HB3(9003)、HB4(9004)、HB5(9005)。
2.前雾灯
主要是用于改善在雾、雪、雨或尘埃情况下道路照明的灯具。
为防止迎面车辆驾驶员的炫目,前雾灯光束在地面的投射距离相对近光光束来说要近。
3.其它灯具
位置灯,即一般所说的小灯,它主要是表明车辆存在和宽度的灯;制动灯即刹车灯,从车辆后方观察,表明车辆正在制动的灯具。
目前,要求安装的后雾灯,它主要是在大雾情况下,从车辆后方观察,使得车辆更为易见的灯具。
由于它的穿透力强,可经在很大程度上,减小不良天气情况下汽车的追尾事故,预防交通事故的发生。
3.3LED在汽车低照度照明中的应用
LED在汽车低照度照明系统中的应用主要是仪表板背光照明、操作开关、阅读灯、示宽灯、牌照灯等,这是汽车制造商最早将LED应用于汽车,同时也是目前LED在汽车中应用最多的部分。
汽车内部的显示,如仪表盘,过去主要采用白炽灯或真空荧光(VF)来提供背光,后来出现了用CCFL作为背光源的显示板。
随着LED技术的不断进步,LED已经取代传统光源组合到背光照明中。
从仪表盘到整个娱乐、导航、行程计算及信息中心控制显示等等,LED几乎无处不在。
LED用于背光照明主要有以下三种方式:
(1)最简单的方式是把LED直接安装在LCD散射膜的后面,可使用许多封装的LED,也可采用未封装的管芯。
(2)另一种方式是将LED发出的光导入光纤束中,在光纤束的散射膜后面构成一个平坦的薄片,可以不同的方式将光从薄片中取出作为LCD的背光照明。
(3)还有一种方式是边缘光LCD背光照明,用一个透明或半透明的矩形塑料块作为导光体,将其直接安装在LCD散射膜后面,塑料块的后表面涂有白色反光材料,LED光从塑料块的一个侧边射入,其余侧边或白色反光材料。
当多个LED一同用于汽车仪表盘照明或娱乐系统控制时,颜色和亮度的一致性就显得特别重要,被照区域的亮度需要均匀一致,不应有任何阴影。
LED在汽车内部的照明主要包括一般照明用顶灯、阅读灯、门锁灯等等。
其达到的目的是提供放松和友好的和谐气氛,以减轻驾驶员的疲劳,改善和提高舒适程度,帮助驾驶员能得到大量可读和清晰的信息。
3.4LED在汽车高照度照明中的应用
(1)LED在汽车信号灯中的应用
汽车信号灯主要指刹车灯、方向灯和尾灯,对其照度和颜色都有明确的规定。
在上个世纪80年代中期,LED开始进入到汽车产业。
我国第一个LED车灯是桑塔纳2000型轿车的高位制动灯,它由上海汽车电子工程中心和上海小系车灯有限公司联合开发,并于2000年通过上海大众汽车公司认证而投产。
迄今为止,LED在汽车上的应用除了仪表LCD面板背光照明外,最流行的当属中央高位刹车灯,目前已有80%以上的欧系和日系汽车安装了LED中央高位刹车灯。
在早几年的2004年北京车展上,法国富奥公司展示了用4个LED做成的高位刹车灯,还有用一个LED灯来实现所有尾部信号灯功能,包括停车灯、后小灯、转弯指示灯、雾灯和倒车指示灯等。
到2010年,绝大部分汽车尾灯照明将采用LED,包括刹车灯、倒车灯和牌照灯在内。
2000型凯迪拉克和S级奔驰车上,后灯(尾灯、刹车灯和转向灯)全部使用了LED。
新奥迪A8轿车侧面转向灯、行车灯、刹车灯和转向灯等,也全部使用了LED。
目前国际上新款式高档轿车,如凯迪拉克、宝马、丰田、奔驰和福特等,都装配了五彩缤纷LED灯具。
(2)LED在汽车前照灯中的应用初见端倪
前照灯是汽车在夜间行驶时照明前方道路的灯具,是保障汽车安全运行的重要部件之一。
前照灯的照明距离越远,配光性越好,汽车行驶的安全性能也就越高。
汽车前照灯发出远光和近光两种光束,其中远光在无对方来车的道路上,汽车以较高速度行驶。
远光应保证在车前100m或更远的路面上得到明亮而均匀的照明。
在全部车LED灯具中,最难也可能是最后投入使用的则是车头的前照灯。
目前LED前照灯都只是用在一些车展上的概念车上。
自2003年以来,有15家汽车制造厂在相关车展上展出了采用LED头灯的概念车。
在北美一次国际车展上登场的福特概念车中,其中一辆则采用了LED头灯。
日本小系等公司也有样灯展出。
2007款林肯Aviator等车型同样采用全新的照明系统,其中包括LED前照灯。
Lexus公司在2007年推出一款2008LSGoohL混合动力豪华汽车量产车,其前照灯采用了LED设计。
日本丰田于2007年在凌志600H车型上开始安装LED车头前照灯,德国大众计划于2008年在奥迪R8车型上安装LED前照灯。
从目前的情况来看,LED前照灯还处在研发阶段,预计在10年之内将会在普通轿车上比较普遍地被采用。
LED这种新光源,对于汽车前照灯的形状和排列有着较大的灵活性。
利用LED体积小这一优势,可以大幅缩小前照灯整组灯具的体积,让出一些宝贵的空间给其它相关装置。
现有的卤钨灯或HID灯灯具总长约30cm,而许多概念车上的LED灯具只有12.5cm,而且可以在造型上突破传统灯具的圆形设计。
由于LED采用模块化设计,从造型上看,前照灯设计给人们以全新的视觉冲击。
使用LED作为前照灯,不仅颜色识别性比卤钨灯等老式灯高,而且由于老式灯只有一个光源,难以扩大照明区域,而LED灯具有多个光源,由此可使照明区域广度扩大[4]。
3.5小结
整体看,汽车用灯LED化是一个非常广阔的市场。
但由于汽车领域的准人门槛较高,所以汽车用LED现在还没有全面广泛的进入市场,相信随着汽车工业的不断发展,汽车用LED灯将在未来几年广泛的应用在汽车市场。
LED化是车灯发展的一个大趋势,其必将是汽车照明系统发展史上的一次飞跃。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 毕业论文 LED 汽车 照明 领域 应用 电路设计