新型户外LED全彩灯条的研制与应用

常春泉，兰 明

(1.北京特种工程设计研究院，北京 100028；2.利亚德光电股份有限公司，北京 100091)

新型户外LED全彩灯条的研制与应用

常春泉1，兰 明2

(1.北京特种工程设计研究院，北京 100028；2.利亚德光电股份有限公司，北京 100091)

LED网幕虽然具有通透、风阻小、重量轻等特质，但是国家体育场(鸟巢)外幕墙由空间扭曲薄壁箱型构件随机编织而成，外立面镂空的大小和形状呈超异形。另外，嵌装网幕需从鸟巢外侧跨过1.2米厚的钢箱完成铺装。为此，大长度级联、整根呈弹性弯曲性能的LED灯条才可顺畅穿越钢箱构件内侧与钢衬网之间的空隙以及钢箱构件集结点等大跨度作业盲点，可实现便捷操作、乏点定位的高效作业模式。本文就适合于嵌装在造型多变、构造复杂的诸如鸟巢型镂空幕墙上的新型LED全彩灯条的研发需求、技术性能特点等进行了要点分析和论述，以期对类似工程的技术制作有所启发。

鸟巢西立面；LED网幕；LED灯条级联；研制；应用

引言

随着LED照明技术快速发展，LED在户外的应用越来越多。[1-3]本文中介绍的新研发的LED户外全彩灯条用于安装在鸟巢西立面钢箱结构内侧，形成鸟巢西立面网幕，作为视频显示的屏幕使用[4-5]。鸟巢外立面的镂空与造型均呈现出异形立面特征，所以组成网幕的灯条的首要特征是需采用LED灯板植入排针模块的U型机电合体硬连接方式的制造工艺[6]，使得级联后的灯条呈大长度整根弹性弯曲体特征，特别适合将LED网幕嵌装在鸟巢外立面钢箱内侧的场合。

1 网幕显示装置分类

LED网幕，广义上就是镂空类LED显示屏幕，大致可分为柔性像素灯串拼装、硬质像素灯条拼装或镂空LED幕帘模块拼装等三种。第一种以一个LED像素点为单位封装，之间用导线直连，适合任意造型，缺点是拼装网幕时定位点繁多，生产效率低下，且故障率高，主要用于隐身网幕且需整体移动性的网幕制作，如北京奥运开幕式的梦幻五环、国庆60周年晚会天安门广场1949—2009背景等。第二种以组成一串像素点的电路板为单位封装，每根灯条需伸出级联尾缆，适于单曲面简单异形的建筑幕墙安装的场合。虽说级联节数灵活，但是现状LED灯条没有考虑级联后整根灯条的机械性能，或者先单根敷设后空中用灯条引出尾缆级联，造成空中作业量和安装难度陡增；或可地面级联型，但级联后不具备良好的弯曲性能，同样不适合复杂形状镂空幕墙的嵌装。且此类级联方式不能有效约束级联灯条的顺直度，灯条间易生折线，拼装网幕需要密集的定位点。上两种的信号分配及上电方式基本一致。第三种与箱体LED特征相似，可理解为镂空的LED箱体屏幕，适合单曲面安装，不适合复杂形状幕墙的铺装。幕帘式LED俗称彩幕，由于彩幕可不需要钢衬网，已经不属于网幕范畴。所以更准确的网幕含义是：网——特指钢衬网，幕——由呈栅状排列绑扎在衬网上的LED灯条组成的显示屏幕。

因此，需研发全新型定制的硬质LED灯条，使得其壳体构造、级联方式和上电体制等特征均符合鸟巢嵌装网幕多曲面、超异形的需跨越作业盲点且反折弯曲的大跨度作业的施工要求。

2 鸟巢网幕作业分析

国家体育场的鸟巢形外幕墙立面呈不规整的多曲面，由空间扭曲薄壁箱型构件随机编织而成的鸟巢镂空的大小、形状呈超异型。基于幕墙主立面的倒锥形造型特征，嵌装网幕需从鸟巢外侧跨过1.2 m厚的钢箱完成。鸟巢局部幕墙网幕布置立面如图1所示。

图1 鸟巢幕墙网幕布置立面(局部)Fig.1 Mesh LED display screen embedded in Bird’s nest facade (part)

图1截取了30米至40米一个10米段局部立面。电源和信号统一从40米水平线向下为LED级联灯条输入信号，只要属于该段下端有镂空显现，就需要从显现的最低点向上整根布设。比如图1中①和④最下端镂空显现点为30米处，则布设10米级联灯条；②为33.5米，则布设6.5米级联灯条；③为39.2米，则布设1米级联灯条；⑤为33米，则布设7米级联灯条，其余以此类推。图1的整个区域均有长短不一的作业盲点，最长的出现在④，达8.3米，最短的①和⑤，为3.5米。所有级联灯条夹在鸟巢空间扭曲薄壁箱构件与钢衬网之间穿放，尤其是从上向下穿行，需要内弯以倒置级联灯条方式作业，如果灯条不能大跨度级联、引出尾缆方法级联或级联灯条整根不具备弹性弯曲的特性，都不能实现鸟巢网幕的高效作业工艺。

研制新型大跨度、无引出尾缆连接器级联且具备定向弹性弯曲的LED灯条才可夹行在钢箱构件与钢衬网之间，实现在鸟巢超异形多曲面幕墙构件内网幕嵌装的便捷操作、乏点定位的高效作业模式。

3 定制LED灯条的壳体结构

壳体结构决定了LED灯条的机械性能、防护能力以及加工制造工艺，也是LED显示装置分类的主要依据和外部特征。除了优化灯条的重量、电气性能外，尤其为鸟巢网幕定制的新型LED灯条增加了一项独特的新功能，即灯条壳体的结构适合模块化级联，模块化级联意味着摒除了引出尾缆航空接插件式的电气连接方式，剪掉蜈蚣脚，采用新型的连接块与灯条一体化设计，实现机电合体级联，使得级联后的整根灯条的机械性能与单个灯条的相一致。

3.1 灯条的壳体设计

在鸟巢外框构件上安装网幕装置，首先需要满足的是负重约束。要求所有LED设备装置，包括灯条、级联连接块、定位板、电力线、信号线和电源/信号分配器等的总和小于6 kg/m2，按照灯条全双套灯条配置、栅列间距15 cm折算，含连接块的重量小于0.3 kg/m；显而易见，轻质灯条可提高高空平台车的运料量与高空操作的便捷性和安全性。现状LED灯条单位重量0.5 kg以上，明显超重。合理的壳体设计除满足大跨度、顺滑、定向弹性弯曲的特征外，还应减轻重量。减轻重量的主要措施在背面采用复杂折线曲线设计，保证机械柔韧度与强度并重的情况下，减少壳体的用料量。新型LED灯条底壳侧视剖面造型如图2所示，壳体采用轻质的PC料。

图2 新型LED灯条底壳侧视剖面图Fig.2 Section layout of the LEDs bar’s enclosure

灯条背面中间凸起部位安排48V转5V的DC-DC直流变换电路，两端微凸，以安排20针双向1+1接插件位置的紧固连接，壳体主体厚度仅12.4mm。这种复杂的凹凸形状灯条底壳设计带来了数个优点：

1) 首先是有效的减少了壳体用料量，进而减轻近一半的灯条重量。新型LED灯条设计重量如表1所示。

2)有效减小了灯条的截面，意味着风载的减小；

3)适合电路板接插件级别的机电合体级联方式的实现；

4)壳体的整体设计助力引导了灯条更加朝着弯卷电路板的前后方向弯曲，加固了侧向挠度。

5)利用PC料、硬质电路板等自身的归位性，设计中注意控制模具的翘曲度，保证了灯条具有良好回弹性。

表1 新型LED灯条设计重量明细表

3.2 机电合体级联的实现

定制新型模块化机电合体级联灯条是区别于通用LED灯条的的主要特征，也是契合鸟巢网幕安装特征的主要创新目标。新型LED灯条的级联采用机电合体方式，灯条底壳两端级联处与连接壳体合计厚度不高于中间DC-DC电路的凸起厚度。灯条级联壳体侧面剖视图如图3所示。

图3 LED灯条壳体级联侧面剖视图Fig.3 Side layout of the LEDs bar

两段灯条之间采用接插件方式连接，连接块壳体同样为PC料。连接插针模块表贴在灯板两端，20针双向及“1+1”的O型四壁簧片插孔模块表贴在连接板两端，采用各种结构对位导引对位，4组M5螺栓紧锢，以U形连接方式，连接块与灯条之间形成了电气和机械的可靠链接。而灯条与连接壳体一体化设计，使得级联灯条受力弯曲点固定出现在灯条厚度最薄的位置，而非中间的DC-DC凸起和连接凸起处，保证了关键位置的最低受力。

实际上，由于具有优异的整根级联特性，每根LED灯条可称之为一节，其长度可称之为节长。出于模具加工工艺的约束和鸟巢网幕斩断线处拼接精度的考虑，LED灯条节长设计为0.5m，因此本新型LED灯条的制造长度可以随意在一个节长0.5m至最大节数级联后的长度之间任意定义。在直流48V加压情况下，测试表明可级联最大长度可达18 m。全新研制的新型LED灯条有如下改进点：

1)彻底剪掉了蜈蚣脚，使得物料运输以及级联灯条等均无任何引出尾缆的困扰，使得灯条具备了良好的平顺性和通过性；

2)U型电路板级别接插件级联方式实现了全程无手焊的电气部件全机焊工艺流水线制作；

3)诞生了LED灯条节长的概念，级联灯条以整体的概念出现，凸显了模块化生产的先进制造工艺，制造长度在最大跨距内可任意定义。

4)短节长的LED灯条适合模具化大规模快速生产的模式，也提高了加工流水线交接和操作的便捷性，加工生产效率比普通型材制造工艺高出一个数量级。

5)鸟巢幕墙上的梯道会造成LED灯条的斩断，而短节长的LED灯条可得到更为精准的对接。如图4所示。

图4 鸟巢幕墙网幕布置立面-梯道斩断线拼接处理Fig.4 Section layout of bird’s nest facade-split joint of LEDs bars isolated by the stairway

以半米节长，即以8个像素的精度填充梯道斩断线。200 m远处目视鸟巢网幕，锯齿状现象不明显。

3.3 机电合体模块化级联的可靠性分析

连接通常是故障高发点。而随着机电合体模块化灯条的节长变短(由通用的1～1.5 m缩短为0.5 m)，相应的增加了1倍以上的连接点，算上全双套配置的设计，净增加了3倍的连接点，处理好连接可靠性问题是新型灯条能否成功的关键。为此，新型LED灯条采用了先进的电路板级别接插件工艺，并配合完善的壳体和电气设计，提高连接可靠性，具体措施为：

1)灯条的接插针与连接块的接插孔双套设计，每路信号，每路电源均双针孔配置，提高电气接触的可靠性，并降低接触点压降；

2)配置4簧片全向O型插孔器件，保证连接针孔间出现各向偏移时都可良好接触；

3)灯条与连接进行一体化设计，采用表贴接插件、开模制作壳体工艺，使得灯板、接插针和壳体与连接板、接插孔和壳体之间的电气和壳体构件完全契合。

4)U型连接块与灯板壳体均设置了导引入位构造，保证连接块与灯条级联时针孔无损对接；

5)每处接插件的两端用M5螺栓紧固，每个U型连接块两处接插件总计4套M5螺栓。4套螺栓可起到相互备份的作用，即使其中1套螺栓松动，可不会影响到整体电气连通性能。

6)整个加工流水及现场组装的全过程实现了无人工焊接介入，降低了不良品，并且大幅提高生产效率。

7)连接处内框采用定制胶垫保护密封，防止水、潮气、尘土由此进入，消减插针孔氧化的可能性。

LED显示产业是一个多专业、甚至跨专业汇集的综合学科，尤其是机电合体、相互影响促进的紧密程度非同一般，可与手机制造业比拟。因此，在产品定型阶段特聘请国防科工企业接插件行业专家就新型级联方法、工艺和可用性等方面进行评审并加以改进。总之，相比较引出尾缆航空头连接方式，新型LED灯条级联方式除了其凸显的功能优势之外，其连接可靠性也同样得到了大幅提升。

4 新型LED灯板设计特点

新型LED灯板除了完成正常的显示功能之外，针对鸟巢网幕特殊安装方式对级联长度的要求，保障国家级重要性演出的高可用度，在网幕上电方式和LED像素失效亮闪故障消解等方面进行了有针对性的设计。

4.1 网幕上电方式

平台作业车网幕安装工艺要求单次起升载荷充分、起升频次少，鸟巢复杂的空间扭曲钢箱构件对嵌装的网幕装置形成了诸多的作业盲点，因此大跨度级联灯条成为新型LED灯条的主要特征之一。现状LED灯条的输入电压均小于30V，其馈电方式是：设置在地面的交流配电设施输出220V至吊装捆绑在网幕上的整流配电装置，再输出直流24V至级联灯条。此种供电体制既不安全(网幕上220V电力线高于安全电压)，也达不到大跨度级联长度的要求(直流30V以下只能维持最大5m的级联长度)。

经过测算，采用DC-DC变换电路、四针孔级联、4层电路板设计，灯条在输入48VDC的情况下可维持10米以上的级联灯条稳定工作，达到了大跨距级联长度的要求。其中DC-DC变换电路保证了高效电能转换达90%左右，四针孔级联最大程度的降低接触电阻，即降低能耗，而四层电路板即保证了专有的48VDC传递通道上压降合理，造价又不至于太过高昂。

考虑到鸟巢钢箱构件的安全和攀爬维护人员的人身安全，将鸟巢网幕设计为全新型的集中供电体制，即将所有交直流配电和整流电路装置设置在网幕下方的地面，根据网幕分区分散设置19个供电集结点。将网上的小型整流配电装置改为由无源器件组成的直流分配装置，与信号分配器装置合体。供电集结点输出48VDC至电源/信号分配器，再将48V电源馈给LED级联灯条。

4.2 消黑电路

作为APEC峰会答谢晚宴广场光艺表演的主显示，视觉感染力大，而细微的干扰就会破坏显示效果，因此鸟巢网幕的无干扰显示尤其重要。电子产品的随机失效不可避免，尤其鸟巢网幕全户外暴露型，且短时定时定制，缺乏试运行时间的考验，随机失效的可能性更大。为保障网幕显示整体的可用性，采用1+1全双套屏幕(A屏+B屏)的设计思想，将MTBF提高了近一个数量级，即双灯板同时故障的可能性压缩在了0.5米范围内。该可用度是基于灯板故障即自动退出的机制演算而来，即使发生多处单根(A或者B)失效，如果能及时黑场退出，也不影响整体显示效果，称之为非亮故障，或隐退故障。但是双套配置系统非但掩盖不了失控灯板亮闪的故障，反而会增加了灯板失控亮闪故障的机会，降低了可用度，是破坏整体显示效果主因。北京奥运会开幕式地面长画卷LED显示屏对应失控亮闪故障的处理措施是由事先潜伏在地面舞台下人员根据上边的监看人员的指令，手工跳线消黑。而对于鸟巢网幕，这种人工处理手段显然行不通。

与常亮点故障不同，失效亮闪一般以单节为单位成串出现，为此新型LED级联灯条以单节灯板为单位加设将失控亮闪瞬间转换为黑场的消黑电路，实测有效率达99%以上，误操作率低于5%。

4.3 双向输入

如图4所示的梯道处上下LED级联拼接处，如果只能单向信号输入，则每一个锯齿线都需要进行像素移位，造成拼接工作量成数量级加大，且电源/信号分配器必须随锯齿状拼接处布置，很凌乱。而具备双向输入信号的能力后，该局部只需要在上下分别输送同一信号即可拼接成功，不需要进行像素计算与移位。

5 成果

根据鸟巢空间扭曲钢箱构件的超异形特征，全新定制了适合嵌装鸟巢网幕的新型模块化级联LED全彩灯条系列产品，从定型测试、批量生产到现场应用的整个过程，凸显其生产效率高、作业便捷性好，运行稳定的特点，达到了设计目标，是迄今为止最为理想的组装柔性类LED网幕的产品。鸟巢网幕在2014年APEC峰会答谢晚宴的光艺表演中零故障运行，效果震撼，大放异彩。

[1] 夏军. 户外LED显示屏设立标准和眩光研究[J].照明工程学报, 2015,26(4):91-93.

[2] 陈英飞,於志平. 浅谈杭州市灯光秀代替烟花秀的探索实践[J]. 照明工程学报, 2015,26(3): 18-20.

[3] 尉颖琪,王咏笑,王洁，等. 城市景观照明的国际经验及其对中国的启示[J]. 照明工程学报, 2015,26(3): 1-6.

[4] 视频显示系统工程测量规范:GB 50464—2008[S].北京：中国计划出版社，2009.

[5] LED显示屏通用规范:SJ/T 11141—2012[S].

[6] 供配电系统设计规范:GB 50052—2009[S].北京：中国计划出版社，2010.

R&D and Applications of A Novel Outdoor Full-color LEDs Bar

CHANG Chunquan1, LAN Ming2

(1.Beijing Special Engineering Design and Research Institute，Beijing 100028，China;2.LeyardOptoelectronicCo.,Ltd，Beijing100091，China)

In this paper we introduce an innovated LEDs bar used to form a see-through display screen which is flexible enough to be best coupled with “Bird’s Nest”facade made of 3D-twisted steel beams. It features bi-direction signal feeds,black circuit function, tail-free connections and up to 10-meters cascade in length with elastic bending characteristics that guarantees a smooth trajection in between inside of steel beams and LEDs’ underlay wire rope net. The R&D requirement of the novel outdoor full-color LEDs bar and its technical performance was presented in the paper. We hope it can be helptul for the similar engineering.

west facade of bird’s nest; mesh LED screen; LEDs bar cascade; R&D； applications

TU113.6+67

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.023