基于動(dòng)態(tài)多層不同色彩顯示的燈帶研發(fā)及應(yīng)用

孔令華，丁孝君，熊立貴

（1.中山市格林曼光電科技有限公司，廣東中山 528400；2.廣東理工職業(yè)學(xué)院，廣東中山 528458）

0 引言

LED技術(shù)的不斷發(fā)展，帶動(dòng)了LED裝飾領(lǐng)域的發(fā)展，催生了一系列新技術(shù)、新產(chǎn)品的發(fā)展，燈帶產(chǎn)品由此出現(xiàn)。燈帶產(chǎn)品是將LED和電阻串聯(lián)成長(zhǎng)長(zhǎng)一條，外部用PVC材料包覆成型，猶如一條繩索，因此也叫繩子燈。燈帶產(chǎn)品由于其柔軟的特性，可以隨意彎曲、纏繞，能制作各種圖案、文字等復(fù)雜圖形；長(zhǎng)度可以做得很長(zhǎng)，甚至達(dá)到百米以上，同時(shí)還可以按照其最小單元長(zhǎng)度隨意剪切；安裝方便、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，可以DIY各種產(chǎn)品，在裝飾燈領(lǐng)域有巨大市場(chǎng)[1]。

LED燈帶傳統(tǒng)的做法是將燈帶分為芯線層和外皮防護(hù)層兩層結(jié)構(gòu)。芯線層是用來(lái)安裝LED和連接LED的電路，以及與外部供電連接的輸入輸出線路；外皮防護(hù)層就是將組裝好的芯線通過(guò)PVC包覆成型，固定元件和絕緣防護(hù)，同時(shí)也是整體的塑形，形成不同的外形。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制作簡(jiǎn)單，因此產(chǎn)品的種類(lèi)也十分單調(diào)，市面上的產(chǎn)品也幾乎一樣，最多只是外形不同，由圓形變成方形或者橢圓等等。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，如何脫穎而出，獲得更多的市場(chǎng)份額成為每個(gè)企業(yè)急需解決的問(wèn)題。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究

1.1 設(shè)計(jì)理念

燈帶通常用來(lái)作為勾勒建筑物、外墻、藝術(shù)品等外形輪廓，顯示其外形特點(diǎn)；勾畫(huà)各種圖案、圖形，作為廣告、公園、街道亮化等。為了搭配其裝飾的對(duì)象，配合晚上、白天不同的環(huán)境，通常需要采用多種色彩、圖案的燈帶。然而，傳統(tǒng)的燈帶由于其結(jié)構(gòu)限制，只能實(shí)現(xiàn)單一的色彩，如果一定要實(shí)現(xiàn)多彩以及圖案等復(fù)雜的表現(xiàn)，就需要采用昂貴的LED以及復(fù)雜的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，成本和工程實(shí)施難度都要增大許多。為解決此問(wèn)題，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，如果將燈帶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，增加燈帶的層數(shù)，利用廣告燈的背光方法，將LED作為背光源，將新增的層數(shù)作為襯底，通過(guò)襯底上加工的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖案、顏色等各種變化的需求，這些加工方法可以通過(guò)噴涂、激光雕刻、纏繞等各種繪圖工藝實(shí)現(xiàn)。因此，一種通過(guò)簡(jiǎn)單控制LED的變化實(shí)現(xiàn)復(fù)雜變化效果的產(chǎn)品由此誕生[2-3]。該產(chǎn)品雖然層數(shù)增多，但是尺寸并不增加，不會(huì)影響使用和安全。下面將介紹其中的一種制作方法——纏繞法。

1.2 纏繞法制作LED燈帶

纏繞法設(shè)計(jì)的燈帶由4層結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 燈帶內(nèi)部連接圖

（1）第一層是芯線層，LED燈帶的發(fā)光部分是由若干個(gè)LED和電阻串聯(lián)在一起，成型一串，每串通過(guò)導(dǎo)線并聯(lián)到芯線上的兩根主線上，實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度的延伸，如圖2所示。芯線由PVC擠出成型，底部有兩根主要供電導(dǎo)線給LED供電，中間設(shè)有LED的安裝槽，頂部是一個(gè)切口。LED串聯(lián)焊接后，通過(guò)芯線頂部的切口放入中間的安裝槽中，LED燈串的兩端導(dǎo)線通過(guò)切口在芯線的外部分別與兩根主導(dǎo)線連接在一起，如圖3所示。若干燈串一次連接下去，形成LED燈帶內(nèi)部核心的光源。

圖2 燈帶內(nèi)部連接圖

圖3 燈帶芯線

圖4 出料口模具示意圖

圖5 圖案層示意圖

（2）第二層為襯底，在芯線層的外部，也是本方法中最主要的一層。多層燈帶雖然層數(shù)比較多，但是并不能增加尺寸，如果增加，將嚴(yán)重影響安裝使用，同時(shí)成本也會(huì)增加許多，因此這一層的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。首先這一層需要使其整個(gè)產(chǎn)品表面均勻，由于有芯線有導(dǎo)線連接，部分有焊點(diǎn)的地方會(huì)高出其他地方的高度，導(dǎo)致表面不平；有些芯線局部嚴(yán)重變形也會(huì)導(dǎo)致表面不平，表面不平將會(huì)導(dǎo)致后續(xù)加工困難，混光層就需要有一定厚度來(lái)調(diào)整，同時(shí)要保證在生產(chǎn)過(guò)程不會(huì)帶來(lái)新的不平。為了達(dá)到平整目的，首先是設(shè)計(jì)擠出機(jī)出口的模具，由于擠出到芯線四周的料不是均勻的，因此在冷卻時(shí)PVC的收縮各不相同，需要將模具口設(shè)計(jì)成不同產(chǎn)品外形的形狀。圓形成品出口的模具圖如圖4所示。其次是保證擠出機(jī)輸出膠料的速度要恒定和機(jī)身牽引力穩(wěn)定，這些需要選擇合適的機(jī)器才能實(shí)現(xiàn)。

LED的發(fā)光角度比較小，只有120°左右，燈與燈之間容易出現(xiàn)暗區(qū)。為了彌補(bǔ)暗區(qū)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，將熒光粉和石英砂以及一些混合劑混合到PVC材料中，可以有效增加光線在PVC中的散射作用，起到混光效果，使其整個(gè)燈帶光線均勻。在第二層需要增加這種混合劑，改善LED的發(fā)光效果[4-5]。

擠出機(jī)是將PVC高溫熔化后擠壓出來(lái)，擠壓出來(lái)的產(chǎn)品需要進(jìn)行冷卻才能放置，否則將會(huì)嚴(yán)重變形，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的傳統(tǒng)做法是水冷法，通過(guò)一條長(zhǎng)長(zhǎng)的冷水槽將產(chǎn)品冷卻。在生產(chǎn)第二層的開(kāi)始也是采用水冷法，但是水會(huì)將比較薄的地方壓破，導(dǎo)致水浸入到LED燈串中，引起生銹，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致短路事故。因此必須無(wú)水接觸，最好的方法就是冷空氣冷卻，通過(guò)改裝冷卻設(shè)備實(shí)現(xiàn)冷卻要求[6-7]。

（3）第三層是圖案層，本方法中，圖案層是一種帶有裝飾圖案的薄膜，如圖5所示。此薄膜上印刷有各種裝飾的圖案，也可以是一些固定的顏色。薄膜需要很薄，帶有一定的強(qiáng)度、伸縮性和黏性，同時(shí)能夠在高溫下不變形、不收縮。根據(jù)需要，薄膜可以透光也可以不透光。薄膜通過(guò)纏膜機(jī)均勻地纏繞到第二層完成的半成品上。這一層可以有多種實(shí)現(xiàn)方法，也可以用印刷的方法將圖案印刷到燈帶上，或者激光雕刻等等實(shí)現(xiàn)方案。產(chǎn)品通電后，在燈光背景照射下，燈帶出現(xiàn)燈光的設(shè)計(jì)效果，當(dāng)白天沒(méi)有燈光時(shí)，燈帶可以體現(xiàn)出繪制的圖案，給人兩種不同的欣賞效果，更加吸引眼球。

（4）第四層是保護(hù)層，第三層的薄膜相對(duì)比較脆弱，容易受到外界的影響導(dǎo)致破裂、損壞，因此需要加以保護(hù)。第四層必須要用透明度比較高的材料制作，要能清晰展現(xiàn)第三層的表述效果。第四層也是整個(gè)產(chǎn)品的電氣安全防護(hù)層，燈帶產(chǎn)品使用方便的其中一個(gè)原因就是可以直接接入市電。產(chǎn)品的絕緣厚度直接影響產(chǎn)品的使用安全，因此，第四層設(shè)計(jì)時(shí)需要符合IEC60598的電氣要求。

2 產(chǎn)品測(cè)試、驗(yàn)證

該產(chǎn)品主要銷(xiāo)售市場(chǎng)為美國(guó)，實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬美國(guó)的電網(wǎng)電壓（120 V/60 Hz）進(jìn)行測(cè)試，主要供電設(shè)備為交流變頻電源。

2.1 工作電壓測(cè)試

測(cè)試目的：測(cè)試正常電壓以及偏差±20%條件下，燈帶工作的穩(wěn)定性。

測(cè)試條件：按照IEC60598標(biāo)準(zhǔn)，取樣品數(shù)量20套，每套長(zhǎng)5.5 m，LED數(shù)量216顆/套；測(cè)試96 V、120 V、144 V三種工作電壓；室溫25℃；自動(dòng)開(kāi)關(guān)，30 min亮，30 min滅；測(cè)試時(shí)間500 h。不同電壓條件下LED燈帶的穩(wěn)定性如表1所示。

表1 不同電壓條件下LED燈帶的穩(wěn)定性

2.2 高低溫工作環(huán)境測(cè)試

測(cè)試目的：測(cè)試燈帶在不同工作溫度下的穩(wěn)定性。

測(cè)試條件：樣品數(shù)量20套，每套長(zhǎng)5.5 m，LED數(shù)量216顆/套；恒溫恒濕箱中測(cè)試，其中低溫-20℃，高溫50℃，濕度80%；工作電壓120 V/60 Hz；自動(dòng)開(kāi)關(guān)，30 min亮，30 min滅，測(cè)試時(shí)間500 h。不同工作溫度條件下LED燈帶的穩(wěn)定性如表2所示。

表2 不同工作溫度條件下LED燈帶的穩(wěn)定性

2.3 光衰測(cè)試

測(cè)試目的：測(cè)試燈帶長(zhǎng)時(shí)間工作下LED的平均光衰情況。

測(cè)試條件：測(cè)試數(shù)量20套；測(cè)試電壓120 V/60 Hz；測(cè)試溫度室溫25℃；測(cè)試時(shí)間3 000 h。燈帶在3 000 h內(nèi)的平均光衰圖如圖6所示。

2.4 IPX4防水測(cè)試

測(cè)試目的：測(cè)試燈帶在戶外使用的防水安全。

圖6 燈帶在3 000 h內(nèi)的平均光衰圖

測(cè)試條件：樣品通電淋水10 min，斷電后繼續(xù)淋水10 min，噴淋2h，燈帶接頭及燈帶內(nèi)部是否有水。測(cè)試數(shù)量20套。

測(cè)試結(jié)果：測(cè)試樣品無(wú)進(jìn)水，全部合格。

研究的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)耐壓、高低溫、光衰、防水實(shí)驗(yàn)測(cè)試，均符合產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也獲得了臺(tái)灣優(yōu)利國(guó)際專(zhuān)業(yè)認(rèn)證公司的測(cè)試，通過(guò)了UL2388的測(cè)試要求，并獲得了UL安全認(rèn)證證書(shū)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的產(chǎn)品帶有炫酷的動(dòng)態(tài)顯示外觀效果，增添用戶的使用選擇和亮化環(huán)境氛圍，可以促進(jìn)燈帶產(chǎn)品整體銷(xiāo)量的上升。對(duì)于二次開(kāi)發(fā)使用的客戶，通過(guò)與常規(guī)產(chǎn)品的配合使用，可以制作出更多的產(chǎn)品，如公園藝術(shù)造型和節(jié)日禮物造型燈具，擴(kuò)大了常規(guī)產(chǎn)品的使用范圍，帶動(dòng)同類(lèi)產(chǎn)品的快速增長(zhǎng)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用的新技術(shù)和工藝，也可以應(yīng)用到其他LED燈飾產(chǎn)品中，擴(kuò)充和豐富其他產(chǎn)品的種類(lèi)和使用空間，該產(chǎn)品已批量生產(chǎn)并已得到應(yīng)用。