Nhiệt độ tản nhiệt chuẩn cho LED công suất cao
LED công suất cao cần quản lý nhiệt kỹ lưỡng để duy trì hiệu suất và độ bền. Phần lớn điện năng vào LED bị chuyển thành nhiệt, nên nếu không tản nhiệt tốt, nhiệt độ của LED sẽ tăng cao, gây giảm quang thông và rút ngắn tuổi thọ. Báo cáo này trình bày các ngưỡng nhiệt độ hoạt động tối ưu, giới hạn nhiệt an toàn, ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất và tuổi thọ LED, cũng như các phương pháp tản nhiệt phổ biến cho LED công suất cao, dựa trên khuyến nghị từ các hãng LED lớn và tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế.
Nhiệt độ hoạt động tối ưu của LED công suất cao
- Giữ nhiệt độ LED càng thấp càng tốt: Hiệu suất của LED cao nhất khi nhiệt độ mối nối (junction) ở mức thấp. Ở nhiệt độ thấp, LED phát sáng hiệu quả hơn và suy giảm quang thông chậm hơn. Ví dụ, nhiều dòng LED hiện đại được đo và xếp hạng quang thông ở 85°C – nhiệt độ mối nối 85°C được xem là điều kiện hoạt động “nóng” tiêu chuẩn trong thực tế
- Điều này có nghĩa là tại 85°C, LED đạt 100% quang thông danh định, còn ở nhiệt độ thấp hơn (ví dụ 25°C) có thể phát ra cao hơn ~15-20% so với mức tại 85°C
.Nên vận hành LED dưới ngưỡng ~85°C nếu có thể: Mặc dù 85°C là điểm chuẩn phổ biến, song các nhà sản xuất luôn khuyến cáo nên giữ nhiệt độ mối nối thấp hơn mức này để tối ưu độ bền. Trên thực tế, với thiết kế tản nhiệt tốt, có thể duy trì nhiệt độ mối nối LED trong khoảng 80–100°C hoặc thấp hơn ngay cả khi LED chạy ở công suất cao
Vận hành trên ngưỡng này sẽ bắt đầu làm tăng rủi ro hỏng hóc sớm do ứng suất nhiệt.
- Cân bằng giữa hiệu suất và tuổi thọ: Ở nhiệt độ càng thấp, hiệu suất phát sáng càng cao nhưng việc duy trì nhiệt độ rất thấp đòi hỏi hệ thống tản nhiệt lớn và phức tạp. Do đó, nhà thiết kế cần cân đối giữa kích thước/bộ tản nhiệt và nhiệt độ vận hành chấp nhận được. Một số hãng (như Cree) chọn 85°C làm mốc vì đây là nhiệt độ mối nối thực tế có thể đạt được với tản nhiệt thụ động trong môi trường bình thường (25°C) mà không cần giải pháp làm mát quá phức tạp
. Nói cách khác, 85°C được coi là mức nhiệt “tối ưu” trên thực tế – vừa đủ thấp để đảm bảo hiệu suất/độ bền, vừa khả thi về mặt thiết kế nhiệt.
Giới hạn nhiệt độ tối đa an toàn
- Giới hạn do nhà sản xuất quy định (T_jmax): Các hãng LED công suất cao quy định nhiệt độ mối nối tối đa mà LED có thể chịu được. Thông thường giá trị này khoảng 125–150°C đối với hầu hết LED công suất cao
. Chẳng hạn, Cree LED cảnh báo rằng vượt quá ~150°C ở mối nối có thể gây hư hỏng vĩnh viễn hoặc hỏng đột ngột LED
. Một số dòng LED đặc biệt chịu nhiệt cao hơn (ví dụ OSRAM Diamond Dragon có T<sub>j</sub> max lên tới 175°C
led-professional.com), nhưng đây không phải là điều kiện vận hành thông thường mà chỉ là giới hạn tuyệt đối.
- Khuyến nghị nhiệt độ an toàn khi vận hành liên tục: Để đảm bảo tuổi thọ, các nhà sản xuất thường khuyến cáo vận hành LED ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với giới hạn tối đa. Nichia khuyên rằng điểm gắn LED (nhiệt độ tại chân hàn, gần với case LED) không nên vượt quá 100°C trong sử dụng thực tế
. Ở mức nhiệt này, nhiệt độ mối nối thực tế thường vẫn nằm dưới ngưỡng 125–150°C (tùy theo điện áp và trở kháng nhiệt của LED). Tương tự, Philips Lumileds tính toán tuổi thọ 50.000 giờ (điểm suy giảm 70% quang thông, L70) cho dòng LED LUXEON của họ dựa trên điều kiện nhiệt độ mối nối không quá 120°C đối với LED trắng (có phốt-pho)
. Vượt quá các ngưỡng khuyến nghị (ví dụ vận hành liên tục ở 130–150°C) sẽ làm tuổi thọ giảm mạnh và tiềm ẩn rủi ro hỏng hóc.
- Biên an toàn và tiêu chuẩn thử nghiệm: Trong ngành chiếu sáng, tiêu chuẩn LM-80 của IES yêu cầu thử nghiệm duy trì quang thông LED ở các mức nhiệt như 55°C, 85°C (và cao hơn tùy hãng) để dự báo tuổi thọ. Kết quả chung cho thấy nên có biên an toàn cách xa T<sub>j</sub> max. Một quy tắc thực nghiệm: mỗi giảm 10°C ở nhiệt độ mối nối có thể kéo dài tuổi thọ thêm ~20% hoặc hơn, do đó các thiết kế thường cố gắng giữ LED mát hơn nhiều so với giới hạn tối đa để đảm bảo độ tin cậy dài hạn.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phát sáng và tuổi thọ LED
- Giảm quang thông khi nhiệt độ tăng: Nhiệt độ tản nhiệt (mối nối) cao làm giảm hiệu suất phát sáng của LED. Hiện tượng này là có thể hồi phục – quang thông tăng trở lại khi LED nguội đi – nhưng trong lúc nóng, LED cho ánh sáng yếu hơn. Ví dụ, một đèn LED Lumileds Luxeon 3535L ở 90°C chỉ phát ~88% quang thông so với ở 25°C
. Tương tự, LED Cree khi tăng từ 25°C lên 90°C mất khoảng 20% độ sáng (chỉ còn ~80% quang thông so với 25°C)
. Nếu nhiệt độ mối nối lên tới 125–150°C, quang thông có thể tụt xuống còn ~60–70% so với điều kiện phòng (tùy loại LED). Điều này nghĩa là LED càng nóng thì ánh sáng phát ra càng giảm, làm giảm hiệu quả chiếu sáng và hiệu suất lm/W.
- Dịch chuyển màu sắc: Bên cạnh quang thông, nhiệt độ cao còn gây dịch chuyển màu ánh sáng LED (đặc biệt với LED trắng dùng phosphor). Khi LED nóng, bước sóng phát ra thay đổi nhẹ, làm đổi màu ánh sáng (dịch về đỏ) và hạ thấp chỉ số hoàn màu theo thời gian. Tuy các hãng lớn đã cải thiện để giảm thiểu sự thay đổi màu (ví dụ Cree báo cáo LED của họ chỉ lệch <0,004 trong không gian màu khi thay đổi toàn dải nhiệt độ hoạt động), nhưng đây vẫn là yếu tố cần lưu ý khi vận hành LED ở nhiệt độ cao kéo dài.
- Tuổi thọ giảm sút mạnh: Tuổi thọ LED tỷ lệ nghịch với nhiệt độ mối nối
. Nhiệt độ càng cao, các phản ứng và khuếch tán trong cấu trúc bán dẫn diễn ra nhanh hơn, làm LED xuống cấp nhanh (theo quy luật Arrhenius). Kết quả là thời gian duy trì quang thông mong muốn (L70/L50) bị rút ngắn đáng kể. Dữ liệu thử nghiệm độ tin cậy cho thấy chỉ cần tăng 10°C ở mối nối đã làm giảm thời gian tới hỏng ~17% (tương đương tuổi thọ chỉ còn ~83% so với ban đầu)
. Nếu tăng nhiều hơn, hiệu ứng càng trầm trọng: ví dụ LED vận hành liên tục ở 120°C có thể tuổi thọ chỉ bằng một nửa so với khi chạy ở 90°C. Ngoài ra, nhiệt độ cao còn gây hư hại không hồi phục: đóng rắn phosphor, nứt vỡ keo, hỏng dây nối, thậm chí chết chip LED nếu vượt quá ngưỡng chịu đựng.
Các phương pháp và công nghệ tản nhiệt phổ biến cho LED công suất cao
- Đế tản nhiệt và bảng mạch MCPCB: LED công suất cao thường được gắn trên bảng mạch lõi kim loại (MCPCB), thường làm bằng nhôm, giúp dẫn nhiệt từ chip LED sang bộ phận tản nhiệt. Nhôm là vật liệu tản nhiệt thông dụng nhất nhờ dẫn nhiệt tốt và nhẹ; đồng có dẫn nhiệt cao hơn nhưng đắt và nặng, thường chỉ dùng cho các tấm tản nhiệt nhỏ, phẳng cần hiệu suất cao
. Từ chip LED qua lớp hàn đến MCPCB, nhiệt được truyền dẫn sang bộ tản nhiệt chính.
- Tản nhiệt thụ động (bộ tản nhiệt): Đây là phương pháp phổ biến và tin cậy nhất. Bộ tản nhiệt thụ động thường bằng nhôm có các cánh tản nhiệt để tăng diện tích bề mặt, giúp nhiệt toả ra môi trường nhanh hơn qua đối lưu và bức xạ. Có vài kiểu thiết kế cánh tản nhiệt chính: dạng tấm phẳng, dạng nhôm đúc có cánh, và dạng nhôm đùn ép có cánh
. Thiết kế cụ thể tùy thuộc không gian và công suất: ví dụ một đèn LED 10W có thể dùng khối nhôm đúc với các vây tản nhiệt xung quanh. Để tăng cường, người ta có thể sơn đen hoặc anot hoá bề mặt nhôm để tăng phát xạ nhiệt bức xạ. Keo tản nhiệt hoặc miếng đệm dẫn nhiệt thường được đặt giữa LED (hoặc MCPCB) và bộ tản nhiệt để giảm trở nhiệt tiếp xúc.
- Tản nhiệt chủ động (có hỗ trợ quạt hoặc chất lỏng): Khi nhiệt lượng LED quá lớn mà tản nhiệt thụ động không đủ, các phương án làm mát chủ động được áp dụng
. Phổ biến nhất là gắn quạt trực tiếp lên khối nhôm tản nhiệt (giống cách làm mát CPU máy tính) để ép không khí lưu thông mạnh hơn qua cánh tản nhiệt, tăng tốc độ truyền nhiệt đối lưu. Ngoài ra còn có các giải pháp như tản nhiệt chất lỏng (water cooling): dùng bơm nước hoặc dung dịch chạy qua một bộ trao đổi nhiệt gắn với LED. Một số thiết kế đèn LED công suất rất cao hoặc LED trong không gian kín đã thử nghiệm dùng ống dẫn nhiệt (heat pipe) hoặc buồng hơi (vapor chamber), giúp vận chuyển nhiệt nhanh từ LED đến các vùng tản xa hơn. Tất cả các hệ thống chủ động này đều nhằm hạ nhiệt độ LED xuống dưới ngưỡng cho phép khi biện pháp thụ động không đáp ứng được.
- Lưu ý về độ tin cậy của làm mát chủ động: Dù hiệu quả làm mát tốt, hệ thống quạt và bơm có thể là điểm yếu về độ bền. Tuổi thọ của quạt/bơm thường thấp hơn rất nhiều so với tuổi thọ tiềm năng của LED (LED có thể bền tới >50.000 giờ, trong khi quạt có thể hỏng sau vài nghìn giờ nếu bụi bẩn hoặc mài mòn)
. Do đó, khi dùng tản nhiệt chủ động, cần chọn quạt/bơm chất lượng cao và có cơ chế bảo vệ khi quạt hỏng (như giảm dòng LED hoặc cảnh báo nhiệt) để tránh “điểm nút cổ chai” làm hỏng hệ thống. Nếu thiết kế tốt, kết hợp tản nhiệt thụ động + chủ động có thể cho phép LED công suất rất cao hoạt động ổn định trong không gian nhỏ.
Kết luận
Quản lý nhiệt là yếu tố then chốt trong thiết kế LED công suất cao. Để đảm bảo hiệu suất sáng và tuổi thọ, LED nên được vận hành ở nhiệt độ càng thấp càng tốt – lý tưởng dưới ~85°C tại mối nối. Các nhà sản xuất lớn khuyến cáo những giới hạn nhiệt độ cụ thể nhằm duy trì độ tin cậy. Nhiệt độ tản nhiệt tăng cao sẽ kéo theo suy giảm quang thông tức thời và tăng tốc lão hóa LED, do đó thiết kế tản nhiệt phải đảm bảo giữ LED mát trong mọi điều kiện vận hành. Các giải pháp tản nhiệt từ thụ động (nhôm, đồng với cánh tản nhiệt) cho đến chủ động (quạt, làm mát bằng chất lỏng) đều cần được cân nhắc tùy theo mức công suất và ứng dụng cụ thể. Tuân thủ những hướng dẫn nhiệt độ chuẩn từ nhà sản xuất và tiêu chuẩn quốc tế giúp khai thác tối đa ưu điểm của LED công suất cao một cách an toàn và bền vững
Quan đó cho ta thấy được tầm quan trọng của việc duy trì nhiệt độ tản nhiệt trong giới hạn cho phép để đảm bảo LED hiệu suất cao hoạt động ổn định, sáng lâu và bền bỉ.
