基于动态多层不同色彩显示的灯带研发及应用

孔令华，丁孝君，熊立贵

（1.中山市格林曼光电科技有限公司，广东中山 528400；2.广东理工职业学院，广东中山 528458）

0 引言

LED技术的不断发展，带动了LED装饰领域的发展，催生了一系列新技术、新产品的发展，灯带产品由此出现。灯带产品是将LED和电阻串联成长长一条，外部用PVC材料包覆成型，犹如一条绳索，因此也叫绳子灯。灯带产品由于其柔软的特性，可以随意弯曲、缠绕，能制作各种图案、文字等复杂图形；长度可以做得很长，甚至达到百米以上，同时还可以按照其最小单元长度随意剪切；安装方便、环境适应力强，可以DIY各种产品，在装饰灯领域有巨大市场[1]。

LED灯带传统的做法是将灯带分为芯线层和外皮防护层两层结构。芯线层是用来安装LED和连接LED的电路，以及与外部供电连接的输入输出线路；外皮防护层就是将组装好的芯线通过PVC包覆成型，固定元件和绝缘防护，同时也是整体的塑形，形成不同的外形。由于产品结构及制作简单，因此产品的种类也十分单调，市面上的产品也几乎一样，最多只是外形不同，由圆形变成方形或者椭圆等等。由于市场竞争异常激烈，如何脱颖而出，获得更多的市场份额成为每个企业急需解决的问题。

1 产品设计研究

1.1 设计理念

灯带通常用来作为勾勒建筑物、外墙、艺术品等外形轮廓，显示其外形特点；勾画各种图案、图形，作为广告、公园、街道亮化等。为了搭配其装饰的对象，配合晚上、白天不同的环境，通常需要采用多种色彩、图案的灯带。然而，传统的灯带由于其结构限制，只能实现单一的色彩，如果一定要实现多彩以及图案等复杂的表现，就需要采用昂贵的LED以及复杂的控制系统来实现，成本和工程实施难度都要增大许多。为解决此问题，通过研究发现，如果将灯带的结构进行改善，增加灯带的层数，利用广告灯的背光方法，将LED作为背光源，将新增的层数作为衬底，通过衬底上加工的方法来实现图案、颜色等各种变化的需求，这些加工方法可以通过喷涂、激光雕刻、缠绕等各种绘图工艺实现。因此，一种通过简单控制LED的变化实现复杂变化效果的产品由此诞生[2-3]。该产品虽然层数增多，但是尺寸并不增加，不会影响使用和安全。下面将介绍其中的一种制作方法——缠绕法。

1.2 缠绕法制作LED灯带

缠绕法设计的灯带由4层结构组成，如图1所示。

图1 灯带内部连接图

（1）第一层是芯线层，LED灯带的发光部分是由若干个LED和电阻串联在一起，成型一串，每串通过导线并联到芯线上的两根主线上，实现不同长度的延伸，如图2所示。芯线由PVC挤出成型，底部有两根主要供电导线给LED供电，中间设有LED的安装槽，顶部是一个切口。LED串联焊接后，通过芯线顶部的切口放入中间的安装槽中，LED灯串的两端导线通过切口在芯线的外部分别与两根主导线连接在一起，如图3所示。若干灯串一次连接下去，形成LED灯带内部核心的光源。

图2 灯带内部连接图

图3 灯带芯线

图4 出料口模具示意图

图5 图案层示意图

（2）第二层为衬底，在芯线层的外部，也是本方法中最主要的一层。多层灯带虽然层数比较多，但是并不能增加尺寸，如果增加，将严重影响安装使用，同时成本也会增加许多，因此这一层的设计至关重要。首先这一层需要使其整个产品表面均匀，由于有芯线有导线连接，部分有焊点的地方会高出其他地方的高度，导致表面不平；有些芯线局部严重变形也会导致表面不平，表面不平将会导致后续加工困难，混光层就需要有一定厚度来调整，同时要保证在生产过程不会带来新的不平。为了达到平整目的，首先是设计挤出机出口的模具，由于挤出到芯线四周的料不是均匀的，因此在冷却时PVC的收缩各不相同，需要将模具口设计成不同产品外形的形状。圆形成品出口的模具图如图4所示。其次是保证挤出机输出胶料的速度要恒定和机身牵引力稳定，这些需要选择合适的机器才能实现。

LED的发光角度比较小，只有120°左右，灯与灯之间容易出现暗区。为了弥补暗区，通过实验研究，将荧光粉和石英砂以及一些混合剂混合到PVC材料中，可以有效增加光线在PVC中的散射作用，起到混光效果，使其整个灯带光线均匀。在第二层需要增加这种混合剂，改善LED的发光效果[4-5]。

挤出机是将PVC高温熔化后挤压出来，挤压出来的产品需要进行冷却才能放置，否则将会严重变形，导致产品报废。最经济实惠的传统做法是水冷法，通过一条长长的冷水槽将产品冷却。在生产第二层的开始也是采用水冷法，但是水会将比较薄的地方压破，导致水浸入到LED灯串中，引起生锈，严重会导致短路事故。因此必须无水接触，最好的方法就是冷空气冷却，通过改装冷却设备实现冷却要求[6-7]。

（3）第三层是图案层，本方法中，图案层是一种带有装饰图案的薄膜，如图5所示。此薄膜上印刷有各种装饰的图案，也可以是一些固定的颜色。薄膜需要很薄，带有一定的强度、伸缩性和黏性，同时能够在高温下不变形、不收缩。根据需要，薄膜可以透光也可以不透光。薄膜通过缠膜机均匀地缠绕到第二层完成的半成品上。这一层可以有多种实现方法，也可以用印刷的方法将图案印刷到灯带上，或者激光雕刻等等实现方案。产品通电后，在灯光背景照射下，灯带出现灯光的设计效果，当白天没有灯光时，灯带可以体现出绘制的图案，给人两种不同的欣赏效果，更加吸引眼球。

（4）第四层是保护层，第三层的薄膜相对比较脆弱，容易受到外界的影响导致破裂、损坏，因此需要加以保护。第四层必须要用透明度比较高的材料制作，要能清晰展现第三层的表述效果。第四层也是整个产品的电气安全防护层，灯带产品使用方便的其中一个原因就是可以直接接入市电。产品的绝缘厚度直接影响产品的使用安全，因此，第四层设计时需要符合IEC60598的电气要求。

2 产品测试、验证

该产品主要销售市场为美国，实验通过模拟美国的电网电压（120 V/60 Hz）进行测试，主要供电设备为交流变频电源。

2.1 工作电压测试

测试目的：测试正常电压以及偏差±20%条件下，灯带工作的稳定性。

测试条件：按照IEC60598标准，取样品数量20套，每套长5.5 m，LED数量216颗/套；测试96 V、120 V、144 V三种工作电压；室温25℃；自动开关，30 min亮，30 min灭；测试时间500 h。不同电压条件下LED灯带的稳定性如表1所示。

表1 不同电压条件下LED灯带的稳定性

2.2 高低温工作环境测试

测试目的：测试灯带在不同工作温度下的稳定性。

测试条件：样品数量20套，每套长5.5 m，LED数量216颗/套；恒温恒湿箱中测试，其中低温-20℃，高温50℃，湿度80%；工作电压120 V/60 Hz；自动开关，30 min亮，30 min灭，测试时间500 h。不同工作温度条件下LED灯带的稳定性如表2所示。

表2 不同工作温度条件下LED灯带的稳定性

2.3 光衰测试

测试目的：测试灯带长时间工作下LED的平均光衰情况。

测试条件：测试数量20套；测试电压120 V/60 Hz；测试温度室温25℃；测试时间3 000 h。灯带在3 000 h内的平均光衰图如图6所示。

2.4 IPX4防水测试

测试目的：测试灯带在户外使用的防水安全。

图6 灯带在3 000 h内的平均光衰图

测试条件：样品通电淋水10 min，断电后继续淋水10 min，喷淋2h，灯带接头及灯带内部是否有水。测试数量20套。

测试结果：测试样品无进水，全部合格。

研究的产品经过耐压、高低温、光衰、防水实验测试，均符合产品的设计要求，同时也获得了台湾优利国际专业认证公司的测试，通过了UL2388的测试要求，并获得了UL安全认证证书。

3 结束语

本文研究的产品带有炫酷的动态显示外观效果，增添用户的使用选择和亮化环境氛围，可以促进灯带产品整体销量的上升。对于二次开发使用的客户，通过与常规产品的配合使用，可以制作出更多的产品，如公园艺术造型和节日礼物造型灯具，扩大了常规产品的使用范围，带动同类产品的快速增长。产品设计中使用的新技术和工艺，也可以应用到其他LED灯饰产品中，扩充和丰富其他产品的种类和使用空间，该产品已批量生产并已得到应用。