劉 然，陳 萍，張華樹，陳積先，武華堂

（國家汽車質量監(jiān)督檢驗中心（襄陽），湖北 襄陽 441004）

LED汽車燈具分析及試驗方法研究

劉 然，陳 萍，張華樹，陳積先，武華堂

（國家汽車質量監(jiān)督檢驗中心（襄陽），湖北 襄陽 441004）

重點介紹LED光源的優(yōu)越性和常用的2種LED調光方式，包括模擬調光和PWM調光。結合試驗室現(xiàn)有的配光測試設備，對LED汽車燈具配光測試進行分析研究。

汽車燈具；LED；模擬調光；PWM調光；配光測試

隨著社會的不斷進步和生活水平的迅速提高， 人們不僅對當代汽車的外觀、經(jīng)濟性、操縱性和舒適性有不斷追求，而且對汽車的安全性問題也越來越多地關注。汽車燈具作為汽車主動安全的重要構成部分，也成為了各大主機廠及燈具廠的重點創(chuàng)新對象。燈具的改良與變更程度成為一個車型改款的評價指標之一。

隨著新光源不斷被應用于汽車車燈中，以及光學設計水平的不斷提高，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渡到鹵素燈，再過渡到HID燈（即氣體放電燈），再到目前比較主流的LED光源的過程［1］。從上個世紀90年代開始，汽車的室內燈、開關控制面板的背光開始使用LED，各類信號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，隨后越來越多的車型開始配備LED前照燈。隨著LED技術的不斷發(fā)展和成熟，LED的價格越來越低廉，以及LED光源的眾多優(yōu)點，越來越多車型上的越來越多功能采用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、前轉向信號燈和晝間行駛燈。本文重點討論LED汽車信號燈。

1 LED光源的優(yōu)點

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、響應快、節(jié)能環(huán)保、體積小等優(yōu)點［2-3］。

圖1 全LED前組合燈

1.1 使用壽命長

LED的正常工作壽命可達10萬h，其發(fā)光原理是利用固體半導體芯片實現(xiàn)電能與光能的轉換，通常LED顆粒外面會使用環(huán)氧樹脂等封裝材料對芯片進行封裝。由于封裝材料具有柔性和熱性，這就會使得LED具有一定的抗震性能，因此，LED可以承受高強度的機械沖擊。若汽車燈具采用普通燈絲燈泡作為光源，由于燈絲強度有限，在車輛的劇烈振動中燈絲易于斷裂。若采用LED作為光源，就能很好的避免這一問題，因為LED依靠PN結結構實現(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 響應時間快

LED光源的發(fā)光響應時間極短，大約只有60 ns左右，遠小于白熾燈的響應時間，比氣體放電燈的響應時間也短。因此，將汽車制動燈的光源設計為LED光源具有很大的優(yōu)勢。利用這一優(yōu)點，將汽車制動燈功能選擇LED作為光源，相較于普通的燈泡而言，當前車緊急制動時，后面車輛的駕駛員會提前看到信號，從而可以提前進行制動，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)光效率可達到100 lm/W以上，這樣產生同樣的光通量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)光二極管的生產工藝中不包含熒光燈生產工藝中使用的汞，所以可以認為LED是一種環(huán)保、無害的光源。

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實現(xiàn)汽車燈具的配光要求。同時還增大了汽車燈具造型設計的自由度，使得車燈的設計能夠更加精巧。

1.5 可調控性強

通過施加不同的電壓或者電流，LED顆?？梢援a生不同的亮度。在汽車燈具的應用上，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燈混合時，就易于控制各功能的發(fā)光強度。

2 LED調光電路介紹

由于LED的優(yōu)越性，越來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計趨勢，例如，若前組合燈中晝間行駛燈和前位燈功能均為LED光源，后組合燈中后位燈與制動燈均為LED光源時，則通常2個功能的組合情況為混合，高位制動燈通常也是LED光源。圖2所示為前位燈和晝間行駛燈光源均為LED的某前組合燈，2個功能混合。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)行國標要求，汽車燈具的部分功能根據(jù)不同需求是可以有2個不同的發(fā)光等級的［4-5］，例如汽車后轉向信號燈和汽車制動燈（S2類）。若燈具采用LED顆粒作為光源，則實現(xiàn)不同的功能或者同一功能的不同發(fā)光等級時，可以采用相同的LED顆粒光源，僅僅只需要通過調節(jié)LED顆粒的發(fā)光強度。LED調光通常有2種調光方式，分為模擬調光和PWM（脈沖寬度調制）調光。

2.1 模擬調光

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

2.2 PWM調光

PWM（脈沖寬度調制）調光［6］的原理是通過改變流過LED串中恒定電流的占空比，改變LED串中的平均電流，從而實現(xiàn)調光。在一個脈沖周期內，LED顆粒一部分時間被點亮，一部分時間熄滅，當脈沖頻率大于100 Hz時，由于人眼存在的視覺暫留效應，就會感覺LED顆粒一直處于持續(xù)點亮的狀態(tài)。由于可以高精度地控制脈沖波形的占空比，因此PWM調光可以有很高的調光精度，通過調節(jié)占空比就可以實現(xiàn)調光，調光范圍大。圖3中顯示了3種不同的PWM信號，圖中a是占空比為10 %的PWM輸出，即在一個信號周期內，10 %的時間通，剩余的90 %的時間斷；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LED的電流大小始終保持不變，所以PWM調光并不會改變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

通常，國內外一些大中型的燈具廠家一般會選擇PWM調光方式來實現(xiàn)汽車燈具不同功能，或者同一功能不同發(fā)光級別的調光。例如，某廠家A的一款后組合燈中后位燈、制動燈、后轉向信號燈的光源均為LED光源。其中，后位燈與制動燈混合，當持續(xù)提供高電平，即占空比為100 %時，實現(xiàn)制動燈功能；當在一個信號周期內，40 %的時間導通，其余60 %的時間斷開，即占空比為40 %時，實現(xiàn)后位燈的功能。同樣，對于有2個發(fā)光級別的后轉向信號燈而言，當其白天工作時，占空比100 %，即一直處于導通狀態(tài)；當后轉向信號燈在夜晚工作時，在為他人提供信號的同時，也要避免造成他人眩目，因此其發(fā)光強度需要比白天工作時要小，因此通過PWM調節(jié)來實現(xiàn)，占空比為40 %。該后組合燈中，實現(xiàn)后位燈和夜晚發(fā)光的后轉向信號功能的脈沖調制頻率均為100 Hz，恰好能使觀察者感覺其一直處于持續(xù)點亮的狀態(tài)。

3 LED功能配光測試國標要求

按照現(xiàn)行國標，針對LED功能的汽車燈具的公告和3C認證，除了前霧燈和倒車燈外，配光性能的測試結果需要滿足：點亮經(jīng)過1 min和30 min的測量結果都應該符合相應的發(fā)光強度最小值和最大值的要求。點亮1 min后的發(fā)光強度分布，通過使用點亮1 min后和30 min后的HV點的測得的發(fā)光強度的比值，從點亮30 min后發(fā)光強度分布中計算得到。對于LED前照燈，在其點亮1 min后和光度穩(wěn)定后，其測試點和區(qū)域的照度值都應該滿足最大值和最小值的要求。同時按照標準要求，前照燈近光用LED光源或LED模塊目標光通量應不小于1 000 lm［7］?，F(xiàn)行國標目前并未對LED光源的信號燈的光通量有明確規(guī)定。

4 配光測試實現(xiàn)方法

4.1 配光測試設備

試驗室配光測試設備采用的是德國L M T （Lichtmesstechnik GmbH Berlin）公司生產的光度測試系統(tǒng)，型號為GO-H1400，配備有常規(guī)的發(fā)光強度測試傳感器和PWM傳感器。PWM光度計的采樣速度大約為12次/s，模擬積分時間恒定為20 ms，能夠測量的最佳脈寬調制光源的頻率范圍在80～200 Hz。若采用普通的光強傳感器探頭測試PWM調光的汽車燈具的LED功能，則顯示器上的讀數(shù)結果會一直跳動，波動幅度非常大，測試結果極度不準確。因此，若某LED功能采用PWM調光，就需要采用專門的PWM傳感器進行測試。

4.2 LED燈具配光測試分析

通常，對于普通LED汽車信號燈可以直接外接13.5 V或者28 V試驗電壓進行配光測試，采用普通的發(fā)光強度的測試傳感器探頭可以直接測量，只需要電源提供直流電壓即可。一般來說，普通LED汽車燈具的點亮只需要2個接線端子，一個接入電源正極，一個接入電源負極。若是采用模擬調光實現(xiàn)不同燈具功能或者同一功能的不同發(fā)光級別，由于共用LED顆粒，因此通常燈具廠的電路設計為共用同一負極，不同的正極對應不同的功能，且燈具內部電路已經(jīng)設計集成好。若LED采用PWM調光，對于上章中提及的制動燈而言，由于其額定電壓為12 V，因此在試驗時只需要提供13.5 V的試驗電壓直流信號即可，測試過程中也只需要選擇普通的傳感器。

目前試驗過程中需要利用PWM探頭進行測試的通常有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，直接將方波電源接入測試功能的正負極端子即可；另一種情況是燈具內部電路已經(jīng)集成好，只需要提供脈沖信號，相當于是提供一個激勵信號即可。

4.3 PWM調光LED燈具配光測試實現(xiàn)

本文第2部分內容中提及的廠家A的后組合燈中的后位燈功能的實現(xiàn)屬于前一種情況。當進行配光測試時，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)有設備無法提供脈沖電壓，且廠家未能提供電源控制器。結合試驗室現(xiàn)有設備，可以利用信號發(fā)生器和功率放大器實現(xiàn)。試驗室現(xiàn)有的信號發(fā)生器由臺灣固緯生產見圖4，型號為GFG-8016G，能提供信號的頻率范圍為0.2 Hz～2 MHz。

圖4 信號發(fā)生器

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

圖5 功率放大器

首先對信號發(fā)生器進行調節(jié)：DUTY旋鈕調整占空比；OFFSET旋鈕調節(jié)信號輸出的直流分量，即將整個輸出信號上移或下移；AMPL旋鈕調節(jié)輸出函數(shù)信號幅度大小，即調節(jié)高電平。OUT50Ω接輸出，該端子輸出的電壓幅值可調。調節(jié)過程中先調占空比再調頻率，再調電壓。若先調頻率，再調占空比，頻率會發(fā)生變化。可以利用萬用表測試輸出信號發(fā)生器輸出信號的占空比。然后將信號發(fā)生器的輸出信號接入功率放大器的輸出端，通過調節(jié)功放得到指定的電壓信號。需要注意的是，該功放的輸出信號會反向，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。在調節(jié)信號發(fā)生器和功率放大器的過程中，需將功放的輸出信號接入示波器進行實時監(jiān)測，不斷調節(jié)得到所需的方波電源信號，從而進行配光測試。

5 結束語

本文首先介紹目前汽車燈具的發(fā)展趨勢，說明LED光源的汽車燈具越來越常見，重點闡述了LED光源的優(yōu)點。然后，詳細介紹LED常見的模擬調光和PMW調光2種方式的調光原理。同時，簡要描述了現(xiàn)行國標對汽車燈具中的LED功能配光測試的標準要求。最后，結合試驗室現(xiàn)有的設備，具體分析了不同調光方式的LED汽車燈具的配光測試實現(xiàn)方法，重點描述如何利用試驗室常見的設備實現(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［J］.照明工程學報，2013，24（4）：106-112.

［2］謝望.基于LED的汽車后霧燈模塊組設計［D］.上海：上海交通大學，2012.

［3］高鐵成.高效率LED汽車前照燈關鍵技術研究［D］.天津：天津大學，2013.

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

［5］GB 17509-2008，汽車及掛車轉向信號燈配光性能［S］.

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