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本篇文章僅發表在PTT biker板
未經作者本人書面允許嚴禁任何形式之轉錄及引用
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LED和HID目前這兩種照明系統
堪稱為未來照明最重要的兩個生力軍
主要發展上的不相同的是
HID是由大型向小型化發展
LED是由小型向大型化發展
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LED因有高辨識率、省電、耐用、反應快、驅動電壓低、耐震佳等優點
1968年發明後於1970年代便開始大量產品化~~最早只有紅光LED
而1980年發展出高亮度紅光及綠光~~1990年代後發展出藍、綠、白等其他光色
目前亮度不斷提高之下使用範圍越來越廣泛
LED目前運用在汽車上主要是以指示照明上、如各種指示燈及尾燈方向燈等
但目前高亮度的LED仍有相當大的努力之空間及技術瓶頸尚待克服
本篇主要是以散熱問題和燈具設計上來淺談LED頭燈
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散熱問題
因LED發光過程中約近有70~80%的能量會透過"熱"的方式傳遞至環境中
但~對於半導體之LED來說熱是一個會造成壽命及性能上的極大影響
一般的LED而言達到攝氏120度以後即會失效
當然目前有另外開發出耐溫達180度的LED...但...貴....
況且LED溫度越高失效係數便會越高
該係數為 πγ＝Failure Rate at T / Failure Rate at 75度
簡單說大致上超過75度以後LED的壽命便呈現會大幅度的縮減~~溫度越高越快
在機車上大燈裸露在外故外面溫度影響不大...
但汽車來說頭燈鄰近水箱及引擎體~~兩者溫度皆恆常高於90度，水箱甚至100度以上
況且LED燈體本身為需密封故必須整體防水，其散熱必定需要加以強化
故LED需運用在車輛上散熱為第一之首務
目前散熱方式一般有如下幾種
1.自然對流散熱
2.強制風冷散熱
3.熱導管散熱
4.液冷散熱
1.自然對流
自然對流大多使用一般之鋁/銅材質散熱片
散熱片本體安置於自然環境之下利用空氣來散熱
而底板部分直接連接於LED電子元件裝置
當散熱片越大散熱效果越佳，但是這種技術如果運用在車輛上
如塞車或環境溫度高時便會使得LED模組瀕臨失效溫度下
所以目前一般的散熱片模組並不能使用於LED車頭燈內
2.強制風冷
簡單的說強制風冷就是加裝風扇強化散熱片的效能
透過風扇的設計散熱片的對流熱傳導係數可增高5~10倍
這樣的足堪以滿足LED的模組散熱需求
但是主要的缺點在於操作環境
一般車輛而言不比電腦3C產品....雨水和沙塵的侵蝕極為嚴重
且LED車燈模組需要極為良好的密閉性
若使用風扇來與外界冷空氣對流會有相當的難度存在
3.熱導管
熱導管亦為3C產品目前常使用的散熱技術之一
不但可以將熱引導到散熱良好的地區又能兼顧到密封性
況且不需要任何的外部能量就可以操作
是目前車用LED模組中發展的主要方向
但車輛使用環境皆會有嚴重震動和溫度劇烈變化之問題
不過不管如何而論熱導管技術仍是目前LED可見的散熱問題之最佳解決方案
4.液冷系統
液冷系統是目前各種散熱設計中效率和可靠度最佳的一種
但是使用屬於在電子產品的LED上比起散熱片或是風扇來說
會有冷卻液體洩漏或者是循環失效的隱憂存在
所以目前液冷系統如要使用在LED上還有非常大的問題要去克服
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燈具設計
傳統車燈設計主要是有兩種
平滑拋物面車燈 如魚眼、舊款霧面頭燈
多重反射鏡面車燈(MR) 如小盤燈具
投射式車燈(PS) 如勁戰頭燈
早期的車燈來說皆為拋物面車燈
將光源(燈泡)放置於拋物面之焦距上產生平行的光束
之後藉由小型的凸透鏡進行雕塑光型
但缺點在於霧面罩會損失大量的能量
況且投射出的光型大多無法兼顧到整個車頭前方所需的照明空間
故我並不建議將大燈改裝為魚眼，要改裝建議以"加裝"的形式裝設
主因就是魚眼的投射光型過為集中，屬於輔助燈具，無法兼顧前方整體光型
MR車燈是將更早期的拋物面車燈，改良為許多個小方塊反射鏡
每個反射鏡再改變其曲率和旋轉角度，將光線反射到所需的區域
並且可以利用堆疊方式加強亮度組合成所需的光型
其實MR頭燈就是我們所俗稱的晶鑽頭燈
但是MR頭燈仍有其缺點存在
尤其當鹵素燈泡效能大幅提升和車用HID問世之後~~
頭燈的燈源所產生的輝度大幅提升~~而MR頭燈並沒有如拋物面頭燈的霧面燈罩之設計
所以投射式車燈的設計便在燈泡前方第二焦點處加裝一片反射鏡(亦稱遮罩)
將光線分離散射回反射鏡上再平行打出..但是缺點在於反射鏡會造成能量的大量損失
兩種燈具的設計基本上都可以使用在LED的頭燈上
但是因為LED光源為一"面光源"形式....傳統燈泡和HID皆為"點光源"
也就是說發光的立體角只有傳統光源的一半..
而且LED頭燈發展方向目前大多以LED陣列為主..光型與傳統燈泡大大不同
所以將原有車上的燈具直接改裝LED是完全不可行的....
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目前的LED頭燈要商品化來說
還是以幾項目標為重要的方向
1.頭燈的造型設計需要更為實用
2.散熱設計上需要強化
3.加工精密度和耐用性上提升
4.價格需要商品化
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LED和HID目前這兩種照明系統
堪稱為未來照明最重要的兩個生力軍
主要發展上的不相同的是
HID是由大型向小型化發展
LED是由小型向大型化發展
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LED因有高辨識率、省電、耐用、反應快、驅動電壓低、耐震佳等優點
1968年發明後於1970年代便開始大量產品化~~最早只有紅光LED
而1980年發展出高亮度紅光及綠光~~1990年代後發展出藍、綠、白等其他光色
目前亮度不斷提高之下使用範圍越來越廣泛
LED目前運用在汽車上主要是以指示照明上、如各種指示燈及尾燈方向燈等
但目前高亮度的LED仍有相當大的努力之空間及技術瓶頸尚待克服
本篇主要是以散熱問題和燈具設計上來淺談LED頭燈
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散熱問題
因LED發光過程中約近有70~80%的能量會透過"熱"的方式傳遞至環境中
但~對於半導體之LED來說熱是一個會造成壽命及性能上的極大影響
一般的LED而言達到攝氏120度以後即會失效
當然目前有另外開發出耐溫達180度的LED...但...貴....
況且LED溫度越高失效係數便會越高
該係數為 πγ＝Failure Rate at T / Failure Rate at 75度
簡單說大致上超過75度以後LED的壽命便呈現會大幅度的縮減~~溫度越高越快
在機車上大燈裸露在外故外面溫度影響不大...
但汽車來說頭燈鄰近水箱及引擎體~~兩者溫度皆恆常高於90度，水箱甚至100度以上
況且LED燈體本身為需密封故必須整體防水，其散熱必定需要加以強化
故LED需運用在車輛上散熱為第一之首務
目前散熱方式一般有如下幾種
1.自然對流散熱
2.強制風冷散熱
3.熱導管散熱
4.液冷散熱
1.自然對流
自然對流大多使用一般之鋁/銅材質散熱片
散熱片本體安置於自然環境之下利用空氣來散熱
而底板部分直接連接於LED電子元件裝置
當散熱片越大散熱效果越佳，但是這種技術如果運用在車輛上
如塞車或環境溫度高時便會使得LED模組瀕臨失效溫度下
所以目前一般的散熱片模組並不能使用於LED車頭燈內
2.強制風冷
簡單的說強制風冷就是加裝風扇強化散熱片的效能
透過風扇的設計散熱片的對流熱傳導係數可增高5~10倍
這樣的足堪以滿足LED的模組散熱需求
但是主要的缺點在於操作環境
一般車輛而言不比電腦3C產品....雨水和沙塵的侵蝕極為嚴重
且LED車燈模組需要極為良好的密閉性
若使用風扇來與外界冷空氣對流會有相當的難度存在
3.熱導管
熱導管亦為3C產品目前常使用的散熱技術之一
不但可以將熱引導到散熱良好的地區又能兼顧到密封性
況且不需要任何的外部能量就可以操作
是目前車用LED模組中發展的主要方向
但車輛使用環境皆會有嚴重震動和溫度劇烈變化之問題
不過不管如何而論熱導管技術仍是目前LED可見的散熱問題之最佳解決方案
4.液冷系統
液冷系統是目前各種散熱設計中效率和可靠度最佳的一種
但是使用屬於在電子產品的LED上比起散熱片或是風扇來說
會有冷卻液體洩漏或者是循環失效的隱憂存在
所以目前液冷系統如要使用在LED上還有非常大的問題要去克服
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燈具設計
傳統車燈設計主要是有兩種
平滑拋物面車燈 如魚眼、舊款霧面頭燈
多重反射鏡面車燈(MR) 如小盤燈具
投射式車燈(PS) 如勁戰頭燈
早期的車燈來說皆為拋物面車燈
將光源(燈泡)放置於拋物面之焦距上產生平行的光束
之後藉由小型的凸透鏡進行雕塑光型
但缺點在於霧面罩會損失大量的能量
況且投射出的光型大多無法兼顧到整個車頭前方所需的照明空間
故我並不建議將大燈改裝為魚眼，要改裝建議以"加裝"的形式裝設
主因就是魚眼的投射光型過為集中，屬於輔助燈具，無法兼顧前方整體光型
MR車燈是將更早期的拋物面車燈，改良為許多個小方塊反射鏡
每個反射鏡再改變其曲率和旋轉角度，將光線反射到所需的區域
並且可以利用堆疊方式加強亮度組合成所需的光型
其實MR頭燈就是我們所俗稱的晶鑽頭燈
但是MR頭燈仍有其缺點存在
尤其當鹵素燈泡效能大幅提升和車用HID問世之後~~
頭燈的燈源所產生的輝度大幅提升~~而MR頭燈並沒有如拋物面頭燈的霧面燈罩之設計
所以投射式車燈的設計便在燈泡前方第二焦點處加裝一片反射鏡(亦稱遮罩)
將光線分離散射回反射鏡上再平行打出..但是缺點在於反射鏡會造成能量的大量損失
兩種燈具的設計基本上都可以使用在LED的頭燈上
但是因為LED光源為一"面光源"形式....傳統燈泡和HID皆為"點光源"
也就是說發光的立體角只有傳統光源的一半..
而且LED頭燈發展方向目前大多以LED陣列為主..光型與傳統燈泡大大不同
所以將原有車上的燈具直接改裝LED是完全不可行的....
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目前的LED頭燈要商品化來說
還是以幾項目標為重要的方向
1.頭燈的造型設計需要更為實用
2.散熱設計上需要強化
3.加工精密度和耐用性上提升
4.價格需要商品化
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