- 汽車內(nèi)部LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- 光線在導(dǎo)光管內(nèi)的密閉程度
- LED發(fā)光波長(zhǎng)質(zhì)量和設(shè)計(jì)的一致性
- LED方案滿足可靠性和測(cè)試
用于發(fā)光指示的LED在當(dāng)今汽車照明應(yīng)用中被大量采用。它們可以被集成在門把手附近、用于鑰匙孔照明，或者后視鏡上的轉(zhuǎn)向閃燈，以及踏板照明和杯架照明等。發(fā)光指示的形狀可以非常簡(jiǎn)單（直接透光），也能做得非常復(fù)雜，如圖1所示，來滿足精確照明的需要。
圖1 汽車照明中的LED和發(fā)光指示
你可能非常疑惑，光線看起來是怎么被彎折90°或180°仍然有足夠的光輸出，實(shí)現(xiàn)以精確的亮度和覆蓋度來完美地照亮門把手的區(qū)域。這種可能性幾乎是無限的，它僅僅受內(nèi)部照明設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思想、風(fēng)格和功能觀念限制。
最近的市場(chǎng)調(diào)查表明，在歐洲、亞洲和美國(guó)，幾乎全部的汽車制造商都計(jì)劃在它們的新款轎車中使用某種非傳統(tǒng)照明或指示系統(tǒng)，這取決于豪華功能的配置。然而，這些照明系統(tǒng)有非常嚴(yán)格的設(shè)計(jì)考慮，包括導(dǎo)光管密閉性、波長(zhǎng)質(zhì)量和一致性，以及試驗(yàn)測(cè)試等。
導(dǎo)光管密閉性
這些系統(tǒng)的一個(gè)主要設(shè)計(jì)考慮是光線在導(dǎo)光管內(nèi)的密閉程度，在光源照射目標(biāo)時(shí)應(yīng)該限制光線的損失。光線一旦從光導(dǎo)管中發(fā)出，就應(yīng)該只照射到目標(biāo)范圍內(nèi)而不會(huì)照到目標(biāo)范圍之外。
這些設(shè)計(jì)需求中的兩種可以通過合理處理導(dǎo)光管的內(nèi)表面，以及通過構(gòu)造合適的光線出射點(diǎn)的散射形狀和校準(zhǔn)表面來控制光線如何射出導(dǎo)光管。由于LED的光輻射表面只有標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的一小部分，所以任何光的損失都可能是“成功設(shè)計(jì)”到“不穩(wěn)定原型”的一個(gè)分界點(diǎn)。
如圖2所示，光線可以從安裝在小尺寸PCB板上的表面貼裝LED器件發(fā)出，并使用限流電阻和反極性保護(hù)二極管。光線被直接照到簡(jiǎn)單或精心設(shè)計(jì)的導(dǎo)光管上，這是約束光線的極其簡(jiǎn)單方法。比較常用的方法是用適當(dāng)?shù)?ldquo;透鏡”或投光面體，安裝方法也經(jīng)常是在轎車內(nèi)部把它夾進(jìn)車門嵌板開口的地方、中央控制臺(tái)或儀表盤上。
圖2 拆掉了外殼的照明系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和牌照照明
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合適的內(nèi)表面處理和現(xiàn)代模具技術(shù)使光線被導(dǎo)光管高效吸收、限制損失和在內(nèi)部將光線反射到一定的距離并形成特定的光指示形狀成為可能。在以前，有些應(yīng)該使用白熾燈直接照明的舒適照明設(shè)計(jì)沒有從裝飾性的角度考慮，因此它們也沒有被用到實(shí)際的產(chǎn)品中。換句話說，LED及其導(dǎo)光管與相似的白熾燈相比尺寸、散熱、電流需求、總體重量和成本都更低。
舒適照明系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于照亮某些物體或者使光線集中到某一個(gè)區(qū)域，因而它們可以營(yíng)造出特殊的效果，從在車頂棚顯示制造商的品牌標(biāo)志到為了照明一個(gè)更大的陰影區(qū)域而模擬的光幕效果。
圖2所描述的是兩個(gè)汽車牌照照明的例子。一個(gè)例子描述了兩個(gè)獨(dú)立、無導(dǎo)光的光源無法完全照亮汽車牌照，而是留有暗區(qū)；另一個(gè)則描述了使用導(dǎo)光管制造的光幕可以更加均勻地照亮牌照。采用光幕的方式可以取得更好的照明效果，而僅需要很低的電流和很細(xì)的導(dǎo)線用來承載這些電流，并取得顏色和照明的更多一致性，更不需要燈泡。
波長(zhǎng)質(zhì)量和設(shè)計(jì)的一致性
與傳統(tǒng)白熾燈照明不同的另一個(gè)方面是，所有舒適照明的概念設(shè)計(jì)在它們被使用光譜分析和光照仿真軟件而建立原型系統(tǒng)之前都經(jīng)過了實(shí)際證實(shí)。如圖3所示，所有的LED，不管它們所宣稱的輸出顏色如何，都包括在可見光光譜范圍內(nèi)的非常寬的光譜成分。在歐洲的汽車設(shè)計(jì)中，人們采用軟件來開發(fā)各個(gè)級(jí)別的舒適照明系統(tǒng)，該軟件可以用文字和圖形來顯示實(shí)際發(fā)出了什么顏色的光。
圖3 仿真軟件用于顯示LED的精確光譜以及光輻射方向
設(shè)計(jì)者應(yīng)該意識(shí)到汽車制造商希望所生產(chǎn)的每一輛汽車的顏色都有很好的一致性，因此，它們也必須保持照明組件之間的一致性。汽車制造商需要特定波長(zhǎng)或“色標(biāo)” 的LED，使得用在他們品牌汽車舒適照明系統(tǒng)中的LED保持一致性。同時(shí)，該汽車制造商也必須在許多年之后保持它們汽車產(chǎn)品的一致性。
LED發(fā)光的顏色取決于二極管半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)中的材料特性。為了發(fā)出特定顏色的光，這些材料必須摻雜砷、鎵和其他混合物。
領(lǐng)先供應(yīng)商的LED被分為不同的等級(jí)或組，包含顏色或多或少相一致的顏色批次中。當(dāng)?shù)燃?jí)中的分組增加時(shí)，就能夠保證有更多顏色相近的LED。設(shè)計(jì)者應(yīng)該明確了解供應(yīng)商的顏色分級(jí)方案，以滿足自己對(duì)LED顏色誤差和規(guī)格的要求。當(dāng)汽車制造商對(duì)使用的LED規(guī)定了波長(zhǎng)或顏色標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，內(nèi)部照明的顏色將在每輛車中保持一致，就像汽車的外觀油漆顏色保持一致一樣。
可靠性和測(cè)試
想像在汽車內(nèi)部的LED所面臨的惡劣環(huán)境，它可能被加熱到超過200oF，或者低到車外最冷的溫度。而且LED本身也是非常容易因?yàn)檎饎?dòng)、沖擊，或者潮濕而損壞的，同時(shí)，它們的PCB、連接器和導(dǎo)光管也是如此，以及行車過程中的各種其他原因都可能導(dǎo)致故障。
一個(gè)設(shè)計(jì)考慮就是如果在制造的過程中沒有遵循良好的制造工藝，導(dǎo)光體就可能會(huì)破裂、變色、發(fā)光暗等。采用廉價(jià)材料制造的導(dǎo)光體如果長(zhǎng)期暴露在高溫環(huán)境下就會(huì)開始變黃，因此，高質(zhì)量的耐熱材料是導(dǎo)光體的光學(xué)和物理可靠性主要考慮的問題。高等級(jí)的聚碳酸酯是這些應(yīng)用的理想選擇，使用現(xiàn)代、超高壓噴射塑模技術(shù)，聚碳酸酯導(dǎo)光管將長(zhǎng)期保持比其他材料更加優(yōu)異的透光性能。
設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮，在汽車的售后維修市場(chǎng)中，由于不小心而對(duì)舒適照明系統(tǒng)施加反極性電壓是可能的。值得慶幸的是，導(dǎo)線的連接都使用具有鍵槽的連接器，如果需要維修就使用原廠推薦的。
但是，如果這些連接器替換不正確，并被施加了反向電壓，燒毀舒適照明系統(tǒng)組件是可能的。為了保護(hù)LED，應(yīng)該總是使用一個(gè)反極性保護(hù)二極管和限流電阻。為了降低成本（僅僅$0.005）而取消這些器件是非常常見的，這其實(shí)是一筆錯(cuò)誤的經(jīng)濟(jì)賬。
正確的設(shè)計(jì)、制造和安裝舒適照明系統(tǒng)本身就是一門科學(xué)。對(duì)于使用LED和發(fā)光指示來實(shí)現(xiàn)舒適照明系統(tǒng)，一個(gè)有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)、真實(shí)模型的試驗(yàn)和完整的系統(tǒng)測(cè)試像汽車中的其他系統(tǒng)一樣重要。
