BỘ TẢN NHIỆT ĐÈN LED (Led Heatsink)

   Chúng ta đều biết rằng, mỗi chiếc đèn phát sáng sẽ đều tỏa ra một nhiệt lượng. Tùy theo độ phát sáng của từng loại đèn mà nhiệt lượng tạo ra cũng khác nhau. Như vậy, khi độ sáng càng cao thì nhiệt lượng tỏa ra càng nhiều, vì thế nó cũng ảnh hưởng tới thời gian thắp sáng của từng loại đèn.

  Ngày nay sự phát triển của công nghệ mang đến cho chúng ta những dòng Đèn LED có hiệu suất năng lượng cao và tiết kiệm năng lượng hơn hẳn những dòng Đèn sợi đốt (đèn dây tóc), Đèn halogen trước đó, vì chúng được cấu tạo đặc biệt hơn. 

 Vâng thưa quý vị và các bạn, Chúng ta đang đề cập đến một bộ phận được cấu tạo trong đèn led, nó góp phần tản nhiệt để đảm bảo việc hoạt động ổn định, kéo dài tuổi thọ, nâng cao hiệu suất phát quang của đèn đó chính là BỘ TẢN NHIỆT.

Bộ Tản Nhiệt Đèn Led (hay còn gọi là Heatsink), được thiết kế nhằm mục đích đưa các tinh thể phát sáng có nhiệt độ cao xuống mức nhiệt thấp hơn. Tùy theo loại đèn mà nhà phát triển sẽ lắp ráp nó để đạt hiệu quả cho đèn hoạt động ổn định.

• 1. Nguyên lý hoạt động:

    Trong quá trình đèn LED phát ra ánh sáng, bề mặt tiếp xúc giữa 2 lớp P – N của LED sinh ra lượng nhiệt độ người ta gọi là nhiệt độ Tj  (T- junction). Khi cường độ phát xạ ánh sáng càng lớn thì nhiệt độ Tj càng cao. Nhiệt độ có tác động rất lớn đến tuổi thọ của LED. Người ta đã tính toán nếu nhiệt độ Tj của LED tăng lên 20^oC thì tuổi thọ của LED sẽ giảm mất 50%. Đồng thời nhiệt độ Tj tăng cũng làm giảm hiệu suất chiếu sáng của đèn. Do đó vấn để xử lý tản nhiệt của LED là cực kỳ quan trọng.

Hiện nay với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, Các đơn vị lắp ráp đã lựa những vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao tạo nên bộ tản nhiệt tốt hơn để đảm bảo đèn LED hoạt động ổn định, kéo dài tuổi thọ, nâng cao hiệu suất phát quang của đèn.

• 2. Làm thế nào để Đèn LED được tản nhiệt hiệu quả

Để đèn LED có tuổi thọ cao đòi hỏi phải có thiết kế giải nhiệt tối ưu
 ZALA đảm bảo thiết kế tản nhiệt tối ưu cho mọi loại đèn LED mà chúng tôi sản xuất.

Mặc dù đèn LED sử dụng năng lương hiệu quả, nhưng vẫn còn một lượng điện nhất định bị chuyển thành nhiệt. Và để đèn LED đạt được hiệu suất tốt nhất, lượng nhiệt phát sinh từ chip LED cần phải được di chuyển ra ngoài và tiêu tan vào môi trường xung quanh.

Quản lý nhiệt hiệu quả là nền tảng cho quy trình thiết kế đèn LED. Chúng ta cần hiểu ứng dụng, giới hạn không gian, môi trường lắp đặt và yêu cầu năng lượng có thể có tác động đến tản nhiệt. Chúng ta cũng cần hiểu các mục tiêu hiệu suất, chi phí và hiệu quả để cho phép thiết kế một cách hiệu quả. Thiết kế nên cân bằng tất cả các yêu cầu để đạt được một giải pháp LED thực hiện những gì bạn muốn.

• 2.1 Tại sao tản nhiệt là vấn đề quan trọng?

Bản chất của LED là chất bán dẫn; Chúng cực kỳ linh hoạt nhưng cần được xử lý cẩn thận để đảm bảo kết cấu phức tạp của chúng không bị hư hỏng hoặc phá vỡ. Việc tiếp xúc với nhiệt độ cao cũng có thể làm hỏng các yếu tố khác trong đèn LED, ví dụ, phốt pho cần thiết để tạo ra ánh sáng trắng hoặc các vật liệu được sử dụng để bọc chip trong thiết bị.

• 2.2 Những thiệt hại có thể gây ra do nhiệt?

LED quá nóng có thể gây sự xuống cấp nhanh chóng trong một số thứ:

•   Sản lượng ánh sáng (Lumen) – nói một cách đơn giản, là một điều không thể tránh khỏi, theo thời gian chip LED sẽ bị hao mòn dẫn đến mất khả năng tạo ra các photon, và nhiệt độ làm quá trình này diễn ra nhanh hơn.

Hình 1 – Biểu đồ LM-80 điển hình cho thấy suy giảm ánh sáng theo thời gian

•   Thay đổi màu sắc theo thời gian – điều này đặc biệt đúng với đèn LED ánh sáng trắng. Nhiệt độ có thể gây ra thay đổi đối với phốt pho dẫn đến thay đổi màu sắc có thể nhìn thấy trong đèn LED.
•   Trong trường hợp cực đoan, đèn LED quá nóng có thể dẫn đến hư hỏng vật lý cho chính đèn LED, ống kính nhựa, dây điện, đầu nối, bảng mạch in, các linh kiện điện tử khác, v.v.

• 2.3 Làm thế nào để có được tản nhiệt hiệu quả

    Thiết kế nhiệt là bản chất của thiết kế mọi phần tử trong đèn LED bao gồm lựa chọn LED, thiết kế và bố trí PCB, cũng như các linh kiện điện tử khác. Khi chọn LED, nguồn điện, nhiệt độ tiếp giáp LED và nhiệt trở được đem ra xem xét và so sánh.

   Đặc điểm kỹ thuật và cách bố trí của PCB là một cách để dẫn nhiệt ra khỏi con LED. Vật liệu PCB có các đặc tính nhiệt khác nhau, các lớp đồng dày hơn giúp phân phối nhiệt tốt hơn trên PCB. Việc bổ sung các phương pháp giải nhiệt – khoan lỗ và mạ đồng – cũng có thể cải thiện khả năng chịu nhiệt của FR4, do đó cho phép FR4 được cân nhắc sử dụng trong các ứng dụng mà PCB dựa trên chất nền kim loại có thể là lựa chọn duy nhất.

FR4 là một vật liệu tổng hợp bao gồm vải sợi thủy tinh dệt với chất kết dính nhựa epoxy có khả năng chống cháy (tự dập tắt).

Hình 2 – Thiết kế tản nhiệt trong PCB

• 2.4 Thiết kế mô phỏng nhiệt

-  Tản nhiệt có nhiệm vụ dẫn nhiệt phát sinh từ chip LED ra không khí xung quanh bằng bức xạ nhiệt và đối lưu tự nhiên. Khi chúng tôi thiết kế tản nhiệt, mục đích của chúng tôi là giảm thiểu tối đa khả năng chịu nhiệt giữa đèn LED và môi trường, tận dụng tốt nhất luồng không khí có sẵn và cuối cùng là cải thiện hiệu suất nhiệt của giải pháp đèn LED hoàn chỉnh.

-  Từ lúc bắt đầu, các kỹ sư phải tạo ra các thiết kế mô hình 3D tiềm năng phù hợp với không gian có sẵn. Trong các mô hình này, phải nắm bắt các tính năng cơ học chính như cấu hình khung, móc khóa và các thành phần treo thả, vì tất cả đều có ảnh hưởng đến khối nhiệt của đèn và luồng không khí xung quanh vật cố định. Điều quan trọng nữa là chọn vật liệu và hoàn thiện bề mặt trong các mô hình CAD này để đảm bảo rằng giai đoạn tiếp theo, động lực học chất lỏng tính toán (CFD), càng chính xác càng tốt.

-  CFD là bộ công cụ dựa trên phần mềm mạnh mẽ kết hợp toán học phức tạp với kết xuất đồ họa hiệu năng cao. Bộ CFD cho phép các kỹ sư hình dung được sự truyền nhiệt qua các vật liệu của đèn và sau đó làm thế nào nhiệt này được tản vào chất lỏng xung quanh là không khí xung quanh. Với khả năng nhìn thấy cách thiết kế hoạt động theo đúng nghĩa đen, kỹ sư có thể đưa ra quyết định nhanh chóng, sáng suốt về khả năng hữu dụng của thiết kế; lựa chọn vật liệu hoàn thiện, sửa đổi hoặc loại bỏ các thành phần, trước khi chuyển sang sản xuất nguyên mẫu tốn kém hơn.

Hình 3 – Mô phỏng từ phần mềm CFD về truyền dẫn nhiệt

  Độ tin cậy của mô hình CFD phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác và độ trung thực của mô hình CAD của sản phẩm sẽ được sản xuất. Đơn vị lắp ráp có tuân thủ các thiết kế tản nhiệt tiêu chuẩn hay không là phụ thuộc vào độ tín nhiệm của họ. 

Qua bài tổng hợp ở trên,  ta đã biết bộ tản nhiệt càng tốt thì tuổi thọ đèn LED sẽ càng cao. Vì vậy khi chọn đèn phải tìm loại nào có kết cấu tản nhiệt thật tốt mới có thể bảo vệ độ bền của đèn. Hy vọng quý vị và các bạn đã hiểu được phần nào về nguyên lý hoạt động cũng cách một chiếc đèn LED tản nhiệt hiệu quả.

Cảm ơn quý vị đã theo dõi!

Nguồn: Zalaa tổng hợp