Đèn LED, nhờ tính năng tiết kiệm năng lượng, đang trở nên ngày càng phổ biến trong lĩnh vực chiếu sáng. Được biết đến với hiệu quả cao, tuổi thọ kéo dài và chi phí sử dụng thấp, đèn LED tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các giải pháp chiếu sáng khác trên thị trường, làm cho chúng trở thành sự chọn lựa hợp lý về cả mặt kinh tế lẫn môi trường.
Tuy nhiên, một thách thức mà ngành công nghiệp chiếu sáng LED công suất cao đang phải đối mặt là vấn đề tản nhiệt. Đặc biệt là đối với các đèn LED có công suất lớn như đèn pha hoặc đèn high bay, vấn đề này đã giới hạn sự phát triển của chúng. Mặc dù đèn LED tạo ra ít nhiệt độ hơn so với các loại đèn khác, nhưng nếu không giải quyết đúng cách trong quá trình thiết kế và sản xuất, vấn đề nhiệt có thể ảnh hưởng đến hiệu suất chiếu sáng và tuổi thọ của đèn.
Trái với bóng đèn Edison, nơi nhiệt được phát tán ra môi trường, nhiệt từ đèn LED cần được dẫn truyền và tản nhiệt một cách hiệu quả. May mắn thay, đã có nhiều tiến bộ trong công nghệ chiếu sáng LED để giải quyết vấn đề này.
Tìm hiểu các thành phần chính của đèn LED
Gói đèn LED hoàn chỉnh bao gồm bốn thành phần chính:
- Diốt (Chip LED): Chất bán dẫn này phát ra ánh sáng xanh khi có dòng điện chạy qua nó.
- Phốt pho: Chất này được sử dụng để tạo ra ánh sáng trắng hoặc hơi vàng, thường được áp dụng trực tiếp lên khuôn hoặc trộn vào ống kính.
- Chất nền: Đây là nền cho nhiều khuôn và thường được làm bằng vật liệu nhôm hoặc gốm.
- Ống kính: Ánh sáng phát ra được chiết xuất và định hướng bởi ống kính.
Gói đèn LED thường được gắn trên bảng mạch in (PCB), sau đó được kết hợp với bộ tản nhiệt. Tản nhiệt là một phần quan trọng giúp di chuyển nhiệt độ từ thiết bị điện tử ra môi trường chất lỏng, thường là không khí hoặc chất làm mát dạng lỏng.
Nhiệt độ điểm nối, tức nhiệt độ tại điểm nối giữa đế LED và đế mà nó được gắn vào, thường là giá trị cao nhất trong gói đèn LED, có thể đạt đến 100°C hoặc hơn. Để giải quyết vấn đề này, nhiệt độ được tản ra khỏi gói đèn LED thông qua ba phương tiện chính:
- Đối lưu: Nhiệt được truyền từ chất rắn sang chất lỏng, thường là không khí, thông qua quá trình đối lưu.
- Bức xạ: Nhiệt được truyền từ vật có nhiệt độ cao sang không gian liền kề thông qua bức xạ nhiệt.
- Dẫn nhiệt: Nhiệt được truyền từ vật rắn này sang vật rắn khác thông qua dẫn nhiệt.
Thiết kế nhiệt được sử dụng để giảm nhiệt trong gói đèn LED
Để đảm bảo đèn LED duy trì nhiệt độ thấp, quá trình thiết kế cần được tối ưu hóa để giảm khả năng chịu nhiệt của đèn LED. Điều này thường được thực hiện bằng cách tăng cường ba chế độ tản nhiệt chính trong cấu trúc cố định của đèn LED. Các thiết kế tản nhiệt dùng để giảm nhiệt bao gồm:
Định vị và sắp xếp con LED
Các nhà thiết kế thường muốn giảm khoảng cách giữa các con LED trên PCB để tạo ra các thiết kế đèn LED nhỏ. Tuy nhiên, thách thức xuất phát từ việc giảm khoảng cách này, làm tăng mật độ năng lượng nhiệt và do đó làm tăng nhiệt độ của đèn LED.
Các nhà sản xuất đèn LED thường đưa ra các yêu cầu về khoảng cách được đề xuất giữa các đèn LED và chỉ định mức tăng nhiệt độ có thể xảy ra khi khoảng cách giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định. Sự sắp xếp chip một cách nhất quán và cân bằng giúp phân phối tải nhiệt một cách đồng đều, cho dù đó là hình chữ nhật, hình lục giác hay hình tròn.
Các loại mô-đun LED
Có ba loại đèn LED phổ biến:
Đèn LED gói trực tiếp (DIP):
- Thiết kế hình viên đạn, thường được sử dụng cho bảng hiệu và hiển thị trên các thiết bị điện tử gia dụng.
- Tạo ra ánh sáng có quang phổ đầy đủ màu Đỏ, Xanh lục, và Xanh lam.
- Gắn trực tiếp lên bề mặt PCB, không cần dây kết nối.
Đèn LED gắn chip gắn trên bề mặt (SMD):
- Điốt hình vuông, có khả năng tạo ra ánh sáng đầy đủ màu.
- Gắn trên bề mặt PCB và được hàn trực tiếp lên nó, thay vì sử dụng dây kết nối.
Đèn LED Chips on Board (COB):
- Chứa chín chip trở lên với chung chất nền.
- Gắn trực tiếp vào tản nhiệt thông qua đầu nối kiểu vít, tiết kiệm năng lượng và nhỏ gọn.
- Dãy đèn LED COB 10x10mm có thể chứa 38 lần số lượng đèn so với DIP.
Đèn LED MCOB (Multiple Chips on Board):
- Hợp nhất nhiều đèn LED COB vào một tấm nhôm.
- Có thể tạo ra hơn 130 lumen/Watt, mang lại hiệu suất cao.
Vật liệu cốt lõi của bảng mạch in (PCB)
Vật liệu lõi của PCB đóng vai trò quan trọng trong quá trình tản nhiệt, giúp chuyển hướng nhiệt ra khỏi các bộ phận LED. PCB là một thành phần quan trọng trong thiết kế tản nhiệt, đặc biệt nhạy cảm với vị trí chiến lược của chúng trong vùng tản nhiệt. Dưới đây là ba loại vật liệu lõi PCB chính:
FR-4:
- Tấm laminate tiếp xúc được gia cố bằng kính, là loại phổ biến nhất.
- Sử dụng gốm chủ yếu, thích hợp cho PCB đối mặt với môi trường khắc nghiệt.
- Mặc dù không hiệu quả về chi phí nhưng được ưa chuộng vì tính đa dạng và phổ quát.
Aluminum PCB (Metal Core PCB – MCPCB):
- Vật liệu lõi làm từ hợp kim đồng, nhôm hoặc thép.
- Nhôm và đồng mang lại tính dẫn nhiệt đặc biệt và dẫn nhiệt cao hơn nhiều lần so với FR-4.
- MCPCB là lựa chọn ít phổ biến hơn nhưng độ dẫn nhiệt cao làm cho nó trở thành sự lựa chọn tốt cho ứng dụng đòi hỏi tản nhiệt hiệu quả.
Ceramic PCB:
- Phổ biến trong các ứng dụng đòi hỏi độ dẫn nhiệt và độ cách điện tốt.
- Hiệu quả hơn về mặt chi phí so với FR-4, đồng thời cung cấp tính dẫn nhiệt và cách điện xuất sắc.
Mỗi loại vật liệu lõi PCB có những đặc tính riêng, và sự lựa chọn giữa chúng phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và mức độ quan trọng của tản nhiệt trong thiết kế.
Bề mặt tiếp xúc và vật liệu diện nhiệt
Trong quá trình tản nhiệt, nhiệt được truyền từ một bộ phận sang bộ phận khác thông qua tiếp xúc bề mặt. Điều này đặt ra yêu cầu quan trọng về việc phản ánh các điểm tiếp xúc này trong quá trình thiết kế nhiệt tổng thể.
Để giảm điện trở tiếp xúc nhiệt, việc giảm các điểm tiếp xúc vật lý là quan trọng. Điều này giúp giảm sự dẫn nhiệt trên bề mặt bằng cách giảm khoảng trống chứa không khí, một chất có độ dẫn nhiệt thấp. Để làm điều này, tạo ra các bề mặt tiếp xúc hai chiều, mịn và sạch là rất quan trọng.
Có hai giai đoạn chính để giảm điện trở tiếp xúc nhiệt:
Loại bỏ không khí:
- Sử dụng vật liệu lỏng để đổ vào các khoảng trống giữa các bề mặt không bằng phẳng.
- Vật liệu này có thể bao gồm chất kết dính hoặc mỡ nhiệt, giúp loại bỏ không khí và tăng cường quá trình dẫn nhiệt.
Sử dụng vật liệu tản nhiệt (TIM):
- Đối với ứng dụng cần khả năng chịu nhiệt nhỏ hơn, sử dụng các vật liệu tản nhiệt (TIM).
- Các TIM chứa chất độn có thể giúp tăng cường khả năng dẫn nhiệt và giảm điện trở tiếp xúc.
Thiết kế tản nhiệt
Tản nhiệt được thiết kế nhằm dẫn nhiệt ra khỏi đèn LED và PCB, thực hiện chức năng đối lưu và tỏa nhiệt vào môi trường xung quanh. Mục tiêu chính của bộ tản nhiệt là truyền nhiệt ra khỏi PCB để ngăn chặn sự tích tụ nhiệt trong các gói đèn LED.
Vật liệu tản nhiệt được chọn để tối đa hóa quá trình truyền nhiệt giữa PCB và bề mặt đối lưu cần có tính dẫn điện cao. Một ví dụ điển hình cho loại vật liệu này là hợp kim nhôm.
Làm mát chủ động
Các thiết kế tản nhiệt đã được liệt kê trước đó thường được gọi là phương pháp làm mát thụ động, tức là không sử dụng lực nhân tạo để tăng cường lưu thông không khí, mà thay vào đó, dựa vào sự đối lưu tự nhiên để truyền nhiệt. Tuy nhiên, đối với các đèn LED công suất cao, cần phải tăng cường truyền nhiệt thông qua sử dụng chất lỏng hoặc quạt.
Hệ thống làm mát bằng chất lỏng thường bao gồm một máy bơm dẫn động, một tấm làm mát và một bộ tản nhiệt làm mát bằng quạt. Nhiệt được tạo ra bởi đèn LED công suất cao sẽ được truyền sang chất lỏng thông qua một tấm làm mát. Chất lỏng này, được đẩy đi bằng máy bơm, lưu thông trong hệ thống để hấp thụ nhiệt. Cuối cùng, bộ tản nhiệt bằng quạt sẽ làm lạnh chất lỏng đã hấp thụ nhiệt cho chu kỳ làm mát tiếp theo. Sự lưu thông của chất lỏng đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và kiểm soát nhiệt độ của đèn LED.
Kết luận
Để đạt hiệu suất tối ưu, hệ thống chiếu sáng LED phải duy trì nhiệt độ hoạt động ổn định. Do đó, việc tích hợp một hệ thống quản lý nhiệt là vô cùng quan trọng. Hiệu suất tản nhiệt của đèn LED phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vật liệu, giao diện, hình học và điều kiện môi trường. Việc đánh giá và xem xét các yếu tố này là quan trọng để bảo đảm nhiệt độ của LED duy trì ổn định trong điều kiện làm việc.
Đối với đèn LED, giữ cho nhiệt độ ổn định không chỉ là chìa khóa để đảm bảo hiệu suất mà còn kéo dài tuổi thọ của chúng. Nếu bạn quan tâm đến quá trình tạo ra đèn LED, hãy đọc thêm trong bài đăng trên blog của chúng tôi để có thêm thông tin chi tiết.
