Đèn LED tiêu thụ ít năng lượng hơn bất kỳ giải pháp chiếu sáng nào khác trên thị trường, làm cho chúng trở thành lựa chọn hợp lý về mặt kinh tế và thân thiện với môi trường. Khi tối ưu hóa hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED, các kỹ sư thiết kế cần cân nhắc một số khía cạnh quan trọng như khả năng tản nhiệt đèn LED và các phương pháp làm mát chủ động.
Bước đầu tiên trong việc tối ưu hóa hiệu suất đèn LED là hiểu rõ các thành phần chính của một bộ đèn LED thông thường. Các nhà sản xuất đèn LED thường tạo ra một gói đèn LED hoàn chỉnh bao gồm bốn thành phần chính: khuôn, phốt pho, chất nền và thấu kính.
- Khuôn: Là chất bán dẫn phát ra ánh sáng xanh khi có dòng điện chạy qua.
- Chất nền: Các khuôn có thể được gắn trên nền nhôm hoặc gốm để hỗ trợ tản nhiệt.
- Phốt pho: Để tạo ra ánh sáng trắng hoặc hơi vàng, phốt pho được áp dụng trực tiếp lên khuôn hoặc trộn vào thấu kính. Khi ánh sáng xanh chiếu vào phốt pho, nó phát ra ánh sáng trắng.
- Thấu kính: Ánh sáng phát ra từ phốt pho được chiết xuất và định hướng bởi thấu kính.
Hiểu rõ các thành phần này giúp các kỹ sư thiết kế tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống chiếu sáng LED một cách hiệu quả.
Các gói LED thường được gắn trên bảng mạch in (PCB), trên đó có dán vật liệu giao diện nhiệt (TIM). Cuối cùng, một bộ tản nhiệt sẽ được gắn vào PCB để tản nhiệt ra khỏi gói đèn LED và hướng ra không khí xung quanh thông qua dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
Mặc dù đèn LED có hiệu suất cao hơn 6 lần so với bóng đèn sợi đốt truyền thống, vẫn có một lượng nhiệt đáng kể được chuyển hóa từ năng lượng điện cung cấp vào thiết bị. Không giống như bóng đèn Edison, nơi chất thải nhiệt được tỏa ra, nhiệt do đèn LED tạo ra sẽ được dẫn truyền. Nhiệt lượng này sau đó phải được chuyển ra khỏi thiết bị để duy trì hiệu suất của đèn LED.
Nhiệt độ mối nối LED: Nó là gì và tại sao nó lại quan trọng?
Nhiệt độ tại điểm nối giữa khuôn LED và chất nền được gọi là nhiệt độ điểm nối. Đây thường là nhiệt độ cao nhất trong thiết bị, nên nó được sử dụng để biểu thị hiệu suất tản nhiệt. Các gói đèn LED ngày nay được thiết kế với các đường dẫn nhiệt để truyền nhiệt từ điểm nối đến điểm hàn, nằm ở giao diện giữa gói đèn LED và PCB hoặc tản nhiệt độc lập.
Hiệu quả của đường dẫn nhiệt bên trong được biểu thị bằng nhiệt trở bên trong của đèn LED. Nhiệt độ bên trong càng thấp thì chất lượng tản nhiệt của đèn LED càng cao. Khi thiết kế một bộ đèn LED từ góc độ quản lý nhiệt, kỹ sư cần phải quan tâm đến giá trị điện trở nhiệt này. Giá trị này sẽ được các bộ giải CFD sử dụng để xác định chính xác nhiệt độ của đèn LED và xác minh xem thiết bị có vượt quá giới hạn tối đa do nhà sản xuất khuyến nghị hay không. Trong các đèn LED hiện đại, nhiệt độ điểm nối thường đạt tới 100°C hoặc hơn. Nhiệt độ môi trường, điện trở nhiệt giữa điểm nối LED và môi trường xung quanh, cũng như năng lượng tiêu tán bởi chip đều ảnh hưởng đến giá trị này.
Những ảnh hưởng của tản nhiệt LED kém là gì?
Theo nguyên tắc chung, khi đèn LED nóng lên hiệu suất của chúng sẽ giảm. Có hai lý do chính khiến việc duy trì nhiệt độ thấp lại quan trọng đối với hiệu suất của đèn LED.
Nguyên nhân đầu tiên là ánh sáng phát ra từ đèn LED suy giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng. Hiện tượng này đặc biệt rõ ràng với các bước sóng màu đỏ và màu hổ phách. Biểu đồ bên dưới minh họa sự suy giảm điển hình về lượng ánh sáng phát ra tương đối theo nhiệt độ ở các màu khác nhau.
Nguyên nhân thứ hai là lượng ánh sáng phát ra sẽ giảm dần theo thời gian, và sự giảm này được tăng tốc bởi nhiệt độ cao hơn. Dưới đây là một ví dụ minh họa về lượng ánh sáng phát ra so với số giờ hoạt động của đèn LED ở các nhiệt độ khác nhau. Chúng ta có thể thấy rằng chỉ cần giảm 11°C có thể kéo dài tuổi thọ của đèn thêm 25.000 giờ!
Nguồn: Trung tâm nghiên cứu chiếu sáng
Tuổi thọ đèn LED có thể giảm đáng kể khi tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài, việc kiểm tra các khía cạnh nhiệt là rất quan trọng. Thử nghiệm vật lý, bao gồm thiết lập bàn thử nghiệm, bố trí các cặp nhiệt điện và tuân theo các quy trình thử nghiệm tiêu chuẩn hóa, rất tốn kém và mất thời gian. Mô phỏng CFD nhiệt cung cấp một giải pháp hiệu quả và nhanh chóng cho những ai muốn tối ưu hóa thiết kế chiếu sáng LED mà không làm mất đi độ chính xác và độ tin cậy của kết quả.
Cân nhắc về thiết kế tản nhiệt
Bất kỳ bộ đèn LED nào cũng cần được thiết kế để giữ cho đèn LED luôn mát bằng cách giảm khả năng chịu nhiệt từ đèn LED ra không khí xung quanh. Điều này được thực hiện bằng cách xem xét và tối ưu hóa cả ba chế độ tản nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt, trong mọi phần của thiết kế thiết bị cố định.
1. Khoảng cách và cách bố trí con LED
Các nhà thiết kế thường muốn giảm khoảng cách giữa các đèn LED trên PCB để tạo ra các thiết kế đèn LED nhỏ gọn. Tuy nhiên, điều này làm tăng mật độ nhiệt năng và do đó tăng nhiệt độ của đèn LED, như được minh họa dưới đây.
Các nhà sản xuất chip LED thường cung cấp khoảng cách được khuyến nghị giữa các con LED và cho biết mức tăng nhiệt độ có thể xảy ra khi khoảng cách này giảm đi một lượng nhất định.
Về cách bố trí chip LED trên bo mạch, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bố trí chip đồng nhất và đối xứng sẽ mang lại lượng nhiệt tương tự, cho dù bố trí đó là hình chữ nhật, hình lục giác hay hình tròn.
2. Lựa chọn mô-đun LED
Đèn LED có nhiều loại khác nhau, từ gói trực tiếp nội tuyến (DIP) đến đèn LED nhiều chip trên bo mạch (MCOB) mới nhất.
- Đèn LED DIP: Đặc trưng bởi thiết kế hình viên đạn, loại đèn này chủ yếu được sử dụng cho bảng hiệu và màn hình hiển thị trên các thiết bị điện tử gia dụng.
- Đèn LED SMD (Chip gắn trên bề mặt): Đây là các điốt vuông có thể phát ra ánh sáng ở phổ RGB đầy đủ. Các khối này được gắn và hàn trực tiếp lên bề mặt PCB mà không cần kết nối dây hoặc chân.
- Đèn LED COB (Chips on Board): Loại đèn này có chín chip trở lên dùng chung một đế/chất nền. Nhờ có đế chung này, đèn LED COB thường được gắn trực tiếp vào tản nhiệt bằng đầu nối kiểu vít. Đèn LED COB nhỏ gọn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với đèn LED SMD, cung cấp số lượng lumen trên mỗi watt cao hơn trong thiết kế đơn giản hơn chỉ có một mạch và hai tiếp điểm. Tuy nhiên, chúng không phù hợp lắm với bóng đèn đổi màu.
Nhờ thiết kế này, đèn LED COB thường được gắn vào tản nhiệt bằng cách sử dụng đầu nối gắn vít.
3. Vật liệu lõi của bảng mạch in (PCB)
Bảng mạch in (PCB) chứa các đèn LED và các linh kiện điện tử khác được sắp xếp cụ thể trên một bề mặt phẳng. Vai trò của vật liệu lõi của PCB là chuyển hướng nhiệt ra khỏi các bộ phận. Vật liệu được sử dụng phổ biến nhất là FR-4, một loại tấm mỏng được gia cố bằng sợi thủy tinh. Việc bổ sung các đường dẫn nhiệt xuyên qua PCB có thể cải thiện đáng kể khả năng tản nhiệt.
Vật liệu lõi phổ biến thứ hai là gốm, được sử dụng chủ yếu trong các môi trường khắc nghiệt có áp suất, nhiệt độ và tần số cao. Mặc dù không kinh tế như PCB loại FR-4 tiêu chuẩn, chúng lại vượt trội về độ dẫn điện nhờ sử dụng các vật liệu như palađi đồng hoặc bạc.
Loại PCB cuối cùng là bảng mạch in lõi kim loại (MCPCB), có vật liệu lõi bằng hợp kim nhôm, đồng hoặc thép. Đồng và nhôm mang lại khả năng dẫn nhiệt vượt trội, dẫn nhiệt gấp 6-10 lần so với FR-4, như được minh họa bên dưới.
PCB là một trong những thành phần nhạy cảm nhất của thiết kế nhiệt vì chúng nằm ở vị trí đắc địa trong vùng tản nhiệt. Do đó, các nhà thiết kế phải thận trọng khi lựa chọn các thành phần. MCPCB có vẻ là một lựa chọn hiển nhiên để truyền nhiệt tốt hơn, tuy nhiên, PCB lõi FR-4 với các via nhiệt được lắp đặt đầy đủ cũng là một giải pháp thay thế mạnh mẽ. Hiện có nhiều nghiên cứu về các loại PCB khác nhau và hiệu suất nhiệt của chúng. Bạn có thể tìm thấy danh sách đầy đủ về công nghệ PCB hiện có cho các ứng dụng LED tại đây.
4. Bề mặt tiếp xúc và giao diện nhiệt
Nhiệt được truyền từ bộ phận này sang bộ phận khác thông qua tiếp xúc bề mặt, nên những điểm tiếp xúc này phải được xem xét trong quá trình thiết kế nhiệt tổng thể.
Bất kể phương tiện chế tạo nào, bất kỳ bộ phận nào được sản xuất đều có thể chứa các bề mặt không hoàn hảo, với các đường lượn sóng và thô ráp. Khi hai bề mặt tiếp xúc với nhau, chỉ có một vùng nhỏ tiếp xúc vật lý trực tiếp tại bề mặt tiếp xúc, và sự truyền nhiệt chỉ xảy ra ở những vùng tiếp xúc bề mặt nhỏ này.
Việc giảm các điểm tiếp xúc vật lý sẽ làm giảm sự dẫn nhiệt qua bề mặt, vì những khoảng trống chứa đầy không khí có độ dẫn nhiệt thấp. Những bất thường và khoảng trống như vậy tạo ra điện trở tiếp xúc nhiệt. Do đó, điều cần thiết là tạo ra các bề mặt tiếp xúc phẳng, mịn và sạch nhất có thể.
Có hai bước chính để giảm điện trở tiếp xúc nhiệt. Đầu tiên là loại bỏ không khí bằng cách sử dụng vật liệu lỏng như keo tản nhiệt, chất kết dính, vật liệu thay đổi pha (PCM) và polyme lấp đầy vào các khoảng trống do các bề mặt không bằng phẳng tạo ra. Ví dụ, mỡ tản nhiệt có thể làm giảm điện trở nhiệt của bề mặt khoảng 5 lần, tùy thuộc vào áp suất áp dụng.
Nếu cần khả năng dẫn nhiệt cao hơn, vật liệu giao diện nhiệt (TIM) có chứa chất độn giúp tăng cường quá trình dẫn nhiệt có thể được sử dụng. Độ dày lớp của hợp chất giao diện nhiệt cũng có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng dẫn nhiệt.
5. Thiết kế tản nhiệt
Tản nhiệt đóng vai trò thiết yếu trong việc quản lý nhiệt cho đèn LED. Chúng được thiết kế để dẫn nhiệt ra khỏi đèn LED và PCB, sau đó đối lưu và tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh. Không khí xung quanh lưu thông qua và xung quanh tản nhiệt để giúp làm mát nó.
Bộ tản nhiệt phải truyền nhiệt ra khỏi PCB để ngăn chặn hiện tượng tích tụ nhiệt trong các gói đèn LED. Điều này xảy ra khi tốc độ truyền nhiệt của tản nhiệt ra không khí vượt xa tốc độ truyền nhiệt từ đèn LED sang PCB. Vật liệu được sử dụng để tối đa hóa sự truyền nhiệt giữa PCB và bề mặt đối lưu lộ ra cần có tính dẫn điện cao, như hợp kim nhôm với độ dẫn nhiệt khoảng 190 W/mK.
Bức xạ thường không đóng vai trò chính trong việc tản nhiệt của các thiết bị LED công suất thấp đến trung bình, vì nó chủ yếu liên quan đến diện tích bề mặt lớn và nhiệt độ trên 100 độ C. Tuy nhiên, đối với các thiết bị LED công suất cao (ví dụ như đèn high bay), tản nhiệt bức xạ có thể cải thiện hiệu suất tản nhiệt. Những thiết bị này thường sử dụng bộ tản nhiệt lớn và hoạt động ở nhiệt độ vỏ cao. Chúng thường được trang bị bộ tản nhiệt đã được xử lý bề mặt, như bôi đen hoặc oxy hóa hóa học, để tăng độ phát xạ.
Các nghiên cứu và dự án gần đây về tản nhiệt đã áp dụng thiết kế tự nhiên sử dụng động lực học chất lỏng tính toán và sản xuất bồi đắp để tạo ra hình học tản nhiệt được tối ưu hóa cấu trúc liên kết.
Xem ví dụ về thiết kế tản nhiệt tại POTECH:
6. Làm mát chủ động: Quạt nhỏ hoặc làm mát bằng chất lỏng
Không khí lưu thông xung quanh tản nhiệt có thể được đẩy hoặc kéo thông qua các phương tiện cơ học hoặc thông gió tự nhiên.
Khi phát triển thiết kế tản nhiệt, các kỹ sư phải xem xét nhiều hạn chế như không gian, hình dạng vật cố định, khả năng sản xuất, chi phí và điều kiện không khí. Như đã đề cập trước đó, đối lưu là một yếu tố rất quan trọng để quản lý nhiệt của toàn bộ đèn LED. Phương pháp làm mát thụ động, không sử dụng lực nào để tăng cường lưu thông không khí một cách nhân tạo, luôn được ưa chuộng vì nó mang lại những thiết kế rẻ hơn, yên tĩnh hơn và đáng tin cậy hơn. Nói chung, các thiết kế làm mát thụ động dựa vào sự đối lưu tự nhiên có hiệu quả trong việc truyền nhiệt vào không khí. Đối với một số ứng dụng công nghiệp sử dụng công suất lớn, hệ số truyền nhiệt phải được tăng lên bằng cách sử dụng quạt hoặc phương pháp làm mát bằng chất lỏng.
Ví dụ, một bộ tản nhiệt hoạt động với đối lưu tự nhiên sẽ truyền nhiệt vào không khí với tốc độ từ 5 đến 20 W/m²K, trong khi việc sử dụng quạt có thể tăng các giá trị này lên 25-250 W/m²K. Khi đèn LED được làm mát bằng chất lỏng, hệ số đối lưu có thể đạt tới 100-2000 W/m²K.
Để đánh giá các hệ số truyền nhiệt đối lưu này ở giai đoạn thiết kế của bộ đèn LED, việc thực hiện mô phỏng nhiệt CFD rất hữu ích. Mô phỏng này tính đến hình học 3D, vật liệu và các điều kiện môi trường, cũng như xem xét tất cả các cơ chế truyền nhiệt để làm nổi bật các vấn đề và khu vực trong thiết kế. Đánh giá kết quả mô phỏng, các kỹ sư có thể dễ dàng phát hiện các điểm nóng và giải quyết vấn đề bằng cách sử dụng quy trình thiết kế lặp đi lặp lại để tìm ra giải pháp tối ưu.
Với giải pháp rẻ tiền, nhanh chóng và dễ sử dụng như mô phỏng nhiệt CFD, có thể giảm đáng kể số bước quy trình làm việc so với nguyên mẫu vật lý bằng cách giảm số lượng tùy chọn thiết kế thông qua mô phỏng số. Hơn nữa, khả năng tính toán song song, lưu trữ dữ liệu và độ tin cậy mà điện toán đám mây mang lại sẽ mở ra khả năng tối ưu hóa thiết kế ở mức độ chưa từng thấy trước đây.
Phần kết luận
Hiệu suất tản nhiệt của đèn LED phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm vật liệu, bề mặt, hình học và điều kiện môi trường. Tính đến những yếu tố này là điều cần thiết để giữ cho đèn LED mát trong điều kiện làm việc, từ đó kéo dài tuổi thọ và đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất.
Sử dụng mô phỏng nhiệt CFD giúp tái tạo các điều kiện làm việc, vật liệu và truyền nhiệt trên mô hình 3D, cho phép các kỹ sư thiết kế đưa ra quyết định sáng suốt. Thời gian và công sức cần thiết cho nhiều thử nghiệm vật lý lặp đi lặp lại có thể được giảm đáng kể bằng cách khai thác sức mạnh của mô phỏng nhiệt CFD trên đám mây. Nhiều kịch bản và thiết kế có thể được thử nghiệm đồng thời để nhanh chóng tìm ra giải pháp đèn LED hiệu quả về nhiệt.
Thiết kế các giải pháp chiếu sáng LED tối ưu có thể giúp giảm giá thành, biến hệ thống chiếu sáng LED tiết kiệm năng lượng trở thành tiêu chuẩn hàng đầu trên thị trường.
