淺談LED頭燈 - 機車

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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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