Độ bền của LED, ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ bền của LED

Ngô Việt Dũng

Độ bền của LED, ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ bền của LED

Tuesday, 04 December, 2018

Độ bền của bóng LED và sự tương quan với nhiệt độ hoạt động!

Công nghệ LED (Light Emitting Diode) ngày nay đã trải qua chặng đường phát triển dài. Chục năm trở về trước, bóng LED chỉ có độ sáng, công suất và hiệu suất hạn chế, một bóng chỉ phát ra tối đa vài trăm lumen, với hiệu suất chỉ khoảng 50-70lm/W. Ngày nay, các hãng LED, tiên phong vẫn là CREE (Mỹ) liên tục cho ra đời những thế hệ LED công suất ngày càng cao, hiệu suất lumen/W ngày càng lớn. Ví dụ như 1 bóng CREE XHP70.2 có thể cho độ sáng lên đến trên 6000lm, trong khi cách đây 10 năm, bóng LED CREE XR-E Q5 chỉ cho độ sáng khoảng 300lumen

Đối với bóng LED, dòng điện chạy qua càng lớn, điện áp đặt càng cao (trong giới hạn cho phép) thì năng lượng ánh sáng phát ra càng lớn, tuy nhiên nó đi đôi với việc nhiệt độ LED cũng càng tăng cao. Việc kiểm soát nhiệt độ là yếu tố sống còn, ảnh hưởng đến hiệu suất LED, và đặc biệt ảnh hưởng đến tuổi thọ của LED. Bóng LED bị quá nhiệt sẽ nhanh chóng bị già, giảm tuổi thọ, suy hao độ sáng vĩnh viễn và thậm chí bị cháy.

Trong các tài liệu kỹ thuật datasheet của LED, chúng ta thường thấy một số thông số như sau:

(Nguồn https://www.wolfspeed.com/led-components/products/xlamp-leds-discrete/xlamp-xhp35-2)

Như hình trên là thông số kỹ thuật của LED CREE XHP35.2, trong đó một số thông số chúng ta (kể cả dân DIY đèn pin và người sử dụng đèn pin thông thường) quan tâm nhất đó là:

Dòng điện tối đa (chuẩn) 1.05A
Công suất tối đa: 13W
Độ sáng tối đa: 1718 lm
Hiệu suất tối đa tại điều kiện Binning: 162lm/W
Điện áp đặt chuẩn: 11.2V với dòng 350mA
Nhiệt độ mối nối tối đa 150 độ C
Nhiệt độ để phân loại Binning: 85 độ C

Nhìn vào bảng thông số này, nhiều người ngay lập tức tự hỏi, tại sao nhiều đèn pin lại đẩy lumen đèn lên cao thế? Cũng bóng XHP35 tại sao lên tận trên 2000lm thậm thí 2500, 2700lm, trong khi công bố của nhà sản xuất lumen max chỉ là 1700lm? Nếu không tìm hiểu sâu về LED, ắt hẳn một số người cho rằng những đèn pin có độ sáng cao như vậy là kém bền, không đáng tin cậy vì đã đấy công suất vượt quá ngưỡng giới hạn của LED???

Trong bài viết này tôi sẽ phân tích về việc đẩy LED hoạt động vượt quá thông số nhà sản xuất công bố. Điều này có an toàn cho LED hay không? Có đảm bảo tuổi thọ LED hay không?

1. Trước tiên chúng ta cần đọc Datasheet của LED CREE XHP35

https://www.wolfspeed.com/led-components/media/documents/datasheet-XHP35-2.pdf

Trong datasheet, trang 23, có mục Lumen Maintenance như sau:

“Cree now uses standardized IES LM-80-08 and TM-21-11 methods for collecting long-term data and extrapolating LED lumen maintenance.

For information on the specific LM-80 data sets available for this LED, refer to the public LM-80 results document.

Please read the Long-Term Lumen Maintenance application note for more details on Cree’s lumen maintenance testing and forecasting.

Please read the Thermal Management application note for details on how thermal design, ambient temperature, and drive current affect

the LED junction temperature.”

Dịch sang tiếng Việt:

CREE sử dụng tiêu chuẩn IES LM-80-08 và phương pháp TM21-11 để thu thập dữ liệu dài hạn và ngoại suy ra kết quả duy trì Lumen của LED.

Tham khảo tài liệu LM-80 được công bố công khai về khả năng duy trì Lumen của LED (hay nói cách khác là tuổi thọ của LED)

Tham khảo thêm về tài liệu ứng dụng về việc Duy trì Lumen lâu dài của LED

Tham khảo tài liệu ứng dụng Kiểm soát nhiệt độ của LED để thiết kế tản nhiệt, ảnh hưởng nhiệt độ môi trường và ảnh hưởng của dòng điện.

2. Để hiểu thêm, ta cần tham khảo thêm tài liệu LM-80 của CREE công bố

https://www.wolfspeed.com/led-components/media/documents/LM80_Results.pdf

Đây là tài liệu công bố tuổi thọ của LED, khả năng duy trì lumen sau thời gian dài sử dụng

Tìm đến trang của XHP35 (trang 65), ta có thể thấy, theo CREE công bố, XHP35 vẫn đạt tuổi thọ trên 50000 giờ với điều kiện nhiệt độ hoạt động từ 85-105 độ C. Tuổi thọ sẽ giảm đi khi nhiệt độ tăng gần 105 độ, và tăng lên nếu hoạt động ở khoảng 85 độ C.

Đây là một con số cao về nhiệt độ, như chúng ta đều biết các đèn pin LED cao cấp thường giữ nhiệt độ đầu đèn ở mức 60-70 độ C bằng cách tự điều chỉnh độ sáng (điều chỉnh thời gian thực bằng cảm biến hoặc tự giảm theo bộ đếm thời gian)

Như vậy Các đèn pin LED có bảo vệ nhiệt độ, mặc dù đèn có thể nóng cỡ 70 độ C thì vẫn đảm bảo tuổi thọ của LED.

3. Cuối cùng, ta cần đọc về tài liệu: Pulsed Over-Current Driving of XLamp LEDs: Information and Cautions – LED chạy dòng điện trên ngưỡng : Thông tin và Chú ý

https://www.wolfspeed.com/led-components/media/documents/XLampPulsedCurrent.pdf

Trong tài liệu có nói rõ, việc sử dụng LED ở dòng điện quá ngưỡng trong Datasheet, an toàn cho LED hay không, còn phụ thuộc chủ yếu vào việc tản nhiệt, thời gian sử dụng, cường độ dòng điện, tần số, và thời gian hoạt động… Chỉ cần đảm bảo tản nhiệt tốt, giữ nhiệt độ của LED không vượt quá 85- 105 độ C (thực tế các đèn pin LED luôn giữ nhiệt độ đầu đèn ở mức 60 -70 độ C) thì đèn vẫn đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định.

Với tản nhiệt đủ tốt, LED hoàn toàn có thể hoạt động trên công suất và dòng điện ngưỡng trong Datasheet, để sản sinh ra nhiều lumen hơn. Tuy nhiên càng lên cao lumen, hiệu suất càng giảm, có nghĩa là điện năng tiêu thụ nhiều hơn.

Đồ thị trên cho thấy bóng LED XM-L có thể chạy dòng điện cao hơn nhiều so với dòng điện Maximum Current Drive (3A) mà nhà sản xuất công bố. Khi ấy lumen sẽ tăng cao, nhưng hiệu suất lại giảm.

Tản nhiệt ở đây nghĩa là gì? Có nghĩa là nhiệt năng được truyền thật nhanh từ LED ra thân vỏ đèn, đảm bảo LED không bị quá nhiệt. Nếu bạn đang sử dụng một cây đèn pin nóng rất nhanh, bạn nên yên tâm vì đèn pin của bạn có khả năng tản nhiệt từ bóng LED ra thân vỏ rất tốt, bóng LED sẽ rất bền! Nếu bạn lo nóng không thể cầm đèn, đơn giản bạn chỉ cần hạ độ sáng xuống 1 hoặc 2 nấc.

Tản nhiệt thật nhanh ra thân vỏ, thân vỏ cũng sẽ nóng lên rất nhanh cùng với LED, đến một ngưỡng nhất định, một cây đèn pin LED phải có chức năng tự giảm sáng để đảm bảo đèn không bị quá nhiệt, đảm bảo an toàn cho LED và các linh kiện điện tử. Hầu hết các đèn pin cao cấp hiện nay đều có bảo vệ nhiệt độ thời gian thực bằng cảm biến. Nhiệt độ LED được giám sát liên tục, nếu nhiệt độ vượt ngưỡng (đặt trước), đèn sẽ tự giảm sáng để hạ nhiệt độ và ngược lại. Điều này được thực hiện đơn giản bởi kỹ thuật điện tử hồi tiếp âm, và điều chỉnh PID. Một số đèn thì chỉ có bộ đếm thời gian, tự giảm sáng sau thời gian nhất định, bất kể nhiệt độ LED là bao nhiêu.

Đồ thị hoạt động của đèn pin KLARUS XT11GT - ta có thể thấy đèn tự điều chỉnh độ sáng, tăng hoặc giảm để đảm bảo nhiệt độ an toàn và tối ưu hiệu suất chiếu sáng

Đồ thị hoạt động của Armytek Wizard Pro v3 (dùng cảm biến nhiệt) và Olight H2R (dùng bộ đếm thời gian)

Nếu bạn là kỹ sư điện tử, thiết kế đèn LED, đèn pin LED, bạn sẽ phải nghiên cứu kỹ những tài liệu này. Tuy nhiên ở góc độ người sử dụng, để yên tâm với những sản phẩm đèn pin có độ sáng cao mà bạn đang sử dụng, có lẽ chỉ bây nhiêu là đủ.

Bạn có thể yên tâm rằng với một cây đèn cao cấp, ánh sáng khủng, có bảo vệ nhiệt độ bằng cảm biến, LED vẫn hoạt động bền và tin cây. Có chăng là cảm giác cầm trên tay sẽ nóng và khó chịu mà thôi. Điều đó có thể giải quyết đơn giản bằng 1 cái tay cầm hoặc giảm sáng xuống nấc thấp hơn.

Tags: