基于動態多層不同色彩顯示的燈帶研發及應用

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.廣東理工職業學院，廣東中山 528458）

0 引言

LED技術的不斷發展，帶動了LED裝飾領域的發展，催生了一系列新技術、新產品的發展，燈帶產品由此出現。燈帶產品是將LED和電阻串聯成長長一條，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、文字等復雜圖形；長度可以做得很長，甚至達到百米以上，同時還可以按照其最小單元長度隨意剪切；安裝方便、環境適應力強，可以DIY各種產品，在裝飾燈領域有巨大市場[1]。

LED燈帶傳統的做法是將燈帶分為芯線層和外皮防護層兩層結構。芯線層是用來安裝LED和連接LED的電路，以及與外部供電連接的輸入輸出線路；外皮防護層就是將組裝好的芯線通過PVC包覆成型，固定元件和絕緣防護，同時也是整體的塑形，形成不同的外形。由于產品結構及制作簡單，因此產品的種類也十分單調，市面上的產品也幾乎一樣，最多只是外形不同，由圓形變成方形或者橢圓等等。由于市場競爭異常激烈，如何脫穎而出，獲得更多的市場份額成為每個企業急需解決的問題。

1 產品設計研究

1.1 設計理念

燈帶通常用來作為勾勒建筑物、外墻、藝術品等外形輪廓，顯示其外形特點；勾畫各種圖案、圖形，作為廣告、公園、街道亮化等。為了搭配其裝飾的對象，配合晚上、白天不同的環境，通常需要采用多種色彩、圖案的燈帶。然而，傳統的燈帶由于其結構限制，只能實現單一的色彩，如果一定要實現多彩以及圖案等復雜的表現，就需要采用昂貴的LED以及復雜的控制系統來實現，成本和工程實施難度都要增大許多。為解決此問題，通過研究發現，如果將燈帶的結構進行改善，增加燈帶的層數，利用廣告燈的背光方法，將LED作為背光源，將新增的層數作為襯底，通過襯底上加工的方法來實現圖案、顏色等各種變化的需求，這些加工方法可以通過噴涂、激光雕刻、纏繞等各種繪圖工藝實現。因此，一種通過簡單控制LED的變化實現復雜變化效果的產品由此誕生[2-3]。該產品雖然層數增多，但是尺寸并不增加，不會影響使用和安全。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

纏繞法設計的燈帶由4層結構組成，如圖1所示。

圖1 燈帶內部連接圖

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

圖2 燈帶內部連接圖

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。多層燈帶雖然層數比較多，但是并不能增加尺寸，如果增加，將嚴重影響安裝使用，同時成本也會增加許多，因此這一層的設計至關重要。首先這一層需要使其整個產品表面均勻，由于有芯線有導線連接，部分有焊點的地方會高出其他地方的高度，導致表面不平；有些芯線局部嚴重變形也會導致表面不平，表面不平將會導致后續加工困難，混光層就需要有一定厚度來調整，同時要保證在生產過程不會帶來新的不平。為了達到平整目的，首先是設計擠出機出口的模具，由于擠出到芯線四周的料不是均勻的，因此在冷卻時PVC的收縮各不相同，需要將模具口設計成不同產品外形的形狀。圓形成品出口的模具圖如圖4所示。其次是保證擠出機輸出膠料的速度要恒定和機身牽引力穩定，這些需要選擇合適的機器才能實現。

LED的發光角度比較小，只有120°左右，燈與燈之間容易出現暗區。為了彌補暗區，通過實驗研究，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，使其整個燈帶光線均勻。在第二層需要增加這種混合劑，改善LED的發光效果[4-5]。

擠出機是將PVC高溫熔化后擠壓出來，擠壓出來的產品需要進行冷卻才能放置，否則將會嚴重變形，導致產品報廢。最經濟實惠的傳統做法是水冷法，通過一條長長的冷水槽將產品冷卻。在生產第二層的開始也是采用水冷法，但是水會將比較薄的地方壓破，導致水浸入到LED燈串中，引起生銹，嚴重會導致短路事故。因此必須無水接觸，最好的方法就是冷空氣冷卻，通過改裝冷卻設備實現冷卻要求[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，帶有一定的強度、伸縮性和黏性，同時能夠在高溫下不變形、不收縮。根據需要，薄膜可以透光也可以不透光。薄膜通過纏膜機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現方法，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現方案。產品通電后，在燈光背景照射下，燈帶出現燈光的設計效果，當白天沒有燈光時，燈帶可以體現出繪制的圖案，給人兩種不同的欣賞效果，更加吸引眼球。

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

2 產品測試、驗證

該產品主要銷售市場為美國，實驗通過模擬美國的電網電壓（120 V/60 Hz）進行測試，主要供電設備為交流變頻電源。

2.1 工作電壓測試

測試目的：測試正常電壓以及偏差±20%條件下，燈帶工作的穩定性。

測試條件：按照IEC60598標準，取樣品數量20套，每套長5.5 m，LED數量216顆/套；測試96 V、120 V、144 V三種工作電壓；室溫25℃；自動開關，30 min亮，30 min滅；測試時間500 h。不同電壓條件下LED燈帶的穩定性如表1所示。

表1 不同電壓條件下LED燈帶的穩定性

2.2 高低溫工作環境測試

測試目的：測試燈帶在不同工作溫度下的穩定性。

測試條件：樣品數量20套，每套長5.5 m，LED數量216顆/套；恒溫恒濕箱中測試，其中低溫-20℃，高溫50℃，濕度80%；工作電壓120 V/60 Hz；自動開關，30 min亮，30 min滅，測試時間500 h。不同工作溫度條件下LED燈帶的穩定性如表2所示。

表2 不同工作溫度條件下LED燈帶的穩定性

2.3 光衰測試

測試目的：測試燈帶長時間工作下LED的平均光衰情況。

測試條件：測試數量20套；測試電壓120 V/60 Hz；測試溫度室溫25℃；測試時間3 000 h。燈帶在3 000 h內的平均光衰圖如圖6所示。

2.4 IPX4防水測試

測試目的：測試燈帶在戶外使用的防水安全。

圖6 燈帶在3 000 h內的平均光衰圖

測試條件：樣品通電淋水10 min，斷電后繼續淋水10 min，噴淋2h，燈帶接頭及燈帶內部是否有水。測試數量20套。

測試結果：測試樣品無進水，全部合格。

研究的產品經過耐壓、高低溫、光衰、防水實驗測試，均符合產品的設計要求，同時也獲得了臺灣優利國際專業認證公司的測試，通過了UL2388的測試要求，并獲得了UL安全認證證書。

3 結束語

本文研究的產品帶有炫酷的動態顯示外觀效果，增添用戶的使用選擇和亮化環境氛圍，可以促進燈帶產品整體銷量的上升。對于二次開發使用的客戶，通過與常規產品的配合使用，可以制作出更多的產品，如公園藝術造型和節日禮物造型燈具，擴大了常規產品的使用范圍，帶動同類產品的快速增長。產品設計中使用的新技術和工藝，也可以應用到其他LED燈飾產品中，擴充和豐富其他產品的種類和使用空間，該產品已批量生產并已得到應用。