LED汽车前照灯-LED光源与灯具设计(TracePro软件模拟)

LED光源与灯具设计

设计报告

作品名称：LED汽车前照灯

目录

一、前言 (3)

二、发光二极管简介 (3)

三、汽车前照灯概述 (4)

四、TracePro仿真设计 (4)

1、插入“二次曲面反射器” (4)

2、插入“方块”差集得到“灯罩” (4)

3、复制后与方块“差集” (4)

4、插入灯芯 (4)

5、复制灯芯 (5)

6、设置反射杯内表面 (5)

7、加入表面光源 (6)

8、设置观察屏 (6)

9、结果分析 (7)

一、前言

随着我国经济的迅速增长，人民收入的增加和生活水平的提高，汽车需求量也迅速增加。2002到2005年全国汽车销量从325万辆递增到576万辆，中国成为当今世界汽车销售增长最快的地区。

汽车前照系统主要用于夜晚或恶劣环境下的道路照明。夜间的行车量占总行车量的25%，而发生在夜间的交通事故却占总交通事故的47%。导致夜间交通事故频频发生有诸多原因，性能的衰退是其中的一个主要原因。汽车灯具是汽车的重要部件之一，用于外部照明或反映汽车行驶状态，对汽车驾驶安全起十分重要的作用。传统的前照灯光源有白炽灯、卤素灯及高强度气体放电灯(High Intensity Discharge Lamps, HID)，白炽灯和卤素灯的使用寿命一般只有几百个小时，HID的使用寿命也只有几千个小时。因此，寻求一种新型耐用的光源来取代传统的光源对提高前照灯的性能以及减少夜间交通事故的发生有积极的作用。

发光二极管( Light Emitting Diode, LED)是21世纪具有竞争力的新型固体光源，与传统光源相比它具有寿命长、体积小、能耗低、可靠耐用、响应快、设计灵活、控制灵活等优点。 LED已广泛用于车内照明装置及车外信号装置。随着白光LED技术的发展，单粒LED的光通量将不断提高,LED取代传统光源用于前照灯已成为必然趋势。同时，由于LED设计及控制灵活，以LED为光源的自适应前照系统可以更有效地实现光束的自适应功能[1]。

目前限制LED应用于汽车前照系统的主要因素有:单粒LED的光效和光通量、系统的光效。单粒LED的光效和光通量决定了LED前照灯所用LED的数量，进而决定了LED前照灯的结构及热处理方式。前照灯的光效定义为由光源出射的每单位流明的光通量中照射到地面的光通量所占的比例，光效越高前照灯所用LED 的数量越少。

二、发光二极管简介

发光二极管简称LED(Light Emitting Diode)，属于电致发光中的注入式发光，它是利用PN结中载流子复合而发光的器件。LED是结型电致发光器件，它的基本发光原理是在半导体的PN结上加正向电压，PN结势垒降低，N区的电子和P区的空穴分别越过势垒进入P区和N区，注入少数载流子与多数载流子在复合时，多余的能量以光的形式辐射出来，将电能直接转换为光能。LED发光可以是带间辐射复合，也可以是杂质或缺陷中心与主带之间的复合。对于直接带隙半导体材料(如Ⅲ-Ⅴ化合物中的GaN、InN、InP、GaAs、InAs和所有的Ⅱ-Ⅳ族化合物)，辐射过程不需要声子参与，具有较高的发光效率。对于间接带隙半导体材料(如Ge、Si和Ⅲ-Ⅴ族化合物中的GaP、AlAs、AISb)，导带顶和价带底不在布里渊区的同一点，复合过程需要声子参与，是一个二级过程，复合几率和发光效率都很低，但是可以通过掺入适当杂质，改变其复合几率，提高发光效率。例如在LED产品中广泛使用的GaP系材料，GaP是本身是间接带隙材料，当掺入氮、锌或氧时，则能形成等电子陷阱，使电子与空穴的复合几率大大增加，显著提高了GaP的发光性能，使其成为普通亮度红、黄绿波段LED的主要材料[2]。

采用直接带隙半导体材料制作的LED，发光的能量近似等于材料禁带宽度Eg(eV)，发光波长与Eg(eV)之间满足如下关系：

λ≈ 1240/E g (nm)

（2-1）

2-1式中E g的单位为电子伏特（eV )。若能产生可见光(波长在380nm紫光～780nm红光)，半导体材料的E g应在3.26～1.63eV之间。根据发光的波长不同，就有红、橙、黄、黄绿、绿、蓝、紫等各种颜色的发光二极管。

三、汽车前照灯概述

传统的前照灯光源有白炽灯、卤素灯及高强度气体放电灯（High Intensity Discharge Lamps，HID），白炽灯和卤素灯的使用寿命一般只有几百个小时，HID的使用寿命也只有几千个小时。因此，寻求一种新型耐用的光源来取代传统的光源对提高前照灯的性能以及减少夜间交通事故的发生有积极的作用。

LED以其体积小、寿命长、能耗低、耐震动、启动时间快、环保等优势已经成为新一代汽车光源技术的首选。大功率白光LED在汽车前照灯上的应用将成为车用LED市场增长的重中之重。前照灯具体的功能如下：机动车超车时，应当提前开启左转向灯、变换使用远、前照灯或者鸣喇叭。夜间会车应当在距相对方向来车150米以外改用前照灯，在窄路、窄桥与非机动车开车时应当使用前照灯。向左转弯时，靠路口中心点左侧转弯。转弯时开启转向灯，夜间行驶开启前照灯；机动车在夜间没有路灯、照明不良或者遇有雾、雨、雪、沙尘、冰雹等低能见度情况下行驶时，应当开启前照灯和后位灯，但同方向行驶的后车与前车近距离行驶时，不得使用远光灯。机动车雾天行驶应当开启雾灯和危险报警闪光灯。机动车在夜间通过急弯、坡路、拱桥、人行横道或者没有交通信号灯控制的路口时，应当交替使用远近照灯示意。

四、TracePro仿真设计

1、插入“二次曲面反射器”

2、插入“方块”差集得到“灯罩”

3、复制后与方块“差集”

4、插入灯芯

插入圆环和圆柱组合效果图5、复制灯芯

6、设置反射杯内表面

7、加入表面光源

8、设置观察屏