新型戶外LED全彩燈條的研制與應用

常春泉，蘭 明

(1.北京特種工程設計研究院，北京 100028；2.利亞德光電股份有限公司，北京 100091)

新型戶外LED全彩燈條的研制與應用

常春泉1，蘭 明2

(1.北京特種工程設計研究院，北京 100028；2.利亞德光電股份有限公司，北京 100091)

LED網幕雖然具有通透、風阻小、重量輕等特質，但是國家體育場(鳥巢)外幕墻由空間扭曲薄壁箱型構件隨機編織而成，外立面鏤空的大小和形狀呈超異形。另外，嵌裝網幕需從鳥巢外側跨過1.2米厚的鋼箱完成鋪裝。為此，大長度級聯、整根呈彈性彎曲性能的LED燈條才可順暢穿越鋼箱構件內側與鋼襯網之間的空隙以及鋼箱構件集結點等大跨度作業盲點，可實現便捷操作、乏點定位的高效作業模式。本文就適合于嵌裝在造型多變、構造復雜的諸如鳥巢型鏤空幕墻上的新型LED全彩燈條的研發需求、技術性能特點等進行了要點分析和論述，以期對類似工程的技術制作有所啟發。

鳥巢西立面；LED網幕；LED燈條級聯；研制；應用

引言

隨著LED照明技術快速發展，LED在戶外的應用越來越多。[1-3]本文中介紹的新研發的LED戶外全彩燈條用于安裝在鳥巢西立面鋼箱結構內側，形成鳥巢西立面網幕，作為視頻顯示的屏幕使用[4-5]。鳥巢外立面的鏤空與造型均呈現出異形立面特征，所以組成網幕的燈條的首要特征是需采用LED燈板植入排針模塊的U型機電合體硬連接方式的制造工藝[6]，使得級聯后的燈條呈大長度整根彈性彎曲體特征，特別適合將LED網幕嵌裝在鳥巢外立面鋼箱內側的場合。

1 網幕顯示裝置分類

LED網幕，廣義上就是鏤空類LED顯示屏幕，大致可分為柔性像素燈串拼裝、硬質像素燈條拼裝或鏤空LED幕簾模塊拼裝等三種。第一種以一個LED像素點為單位封裝，之間用導線直連，適合任意造型，缺點是拼裝網幕時定位點繁多，生產效率低下，且故障率高，主要用于隱身網幕且需整體移動性的網幕制作，如北京奧運開幕式的夢幻五環、國慶60周年晚會天安門廣場1949—2009背景等。第二種以組成一串像素點的電路板為單位封裝，每根燈條需伸出級聯尾纜，適于單曲面簡單異形的建筑幕墻安裝的場合。雖說級聯節數靈活，但是現狀LED燈條沒有考慮級聯后整根燈條的機械性能，或者先單根敷設后空中用燈條引出尾纜級聯，造成空中作業量和安裝難度陡增；或可地面級聯型，但級聯后不具備良好的彎曲性能，同樣不適合復雜形狀鏤空幕墻的嵌裝。且此類級聯方式不能有效約束級聯燈條的順直度，燈條間易生折線，拼裝網幕需要密集的定位點。上兩種的信號分配及上電方式基本一致。第三種與箱體LED特征相似，可理解為鏤空的LED箱體屏幕，適合單曲面安裝，不適合復雜形狀幕墻的鋪裝。幕簾式LED俗稱彩幕，由于彩幕可不需要鋼襯網，已經不屬于網幕范疇。所以更準確的網幕含義是：網——特指鋼襯網，幕——由呈柵狀排列綁扎在襯網上的LED燈條組成的顯示屏幕。

因此，需研發全新型定制的硬質LED燈條，使得其殼體構造、級聯方式和上電體制等特征均符合鳥巢嵌裝網幕多曲面、超異形的需跨越作業盲點且反折彎曲的大跨度作業的施工要求。

2 鳥巢網幕作業分析

國家體育場的鳥巢形外幕墻立面呈不規整的多曲面，由空間扭曲薄壁箱型構件隨機編織而成的鳥巢鏤空的大小、形狀呈超異型。基于幕墻主立面的倒錐形造型特征，嵌裝網幕需從鳥巢外側跨過1.2 m厚的鋼箱完成。鳥巢局部幕墻網幕布置立面如圖1所示。

圖1 鳥巢幕墻網幕布置立面(局部)Fig.1 Mesh LED display screen embedded in Bird’s nest facade (part)

圖1截取了30米至40米一個10米段局部立面。電源和信號統一從40米水平線向下為LED級聯燈條輸入信號，只要屬于該段下端有鏤空顯現，就需要從顯現的最低點向上整根布設。比如圖1中①和④最下端鏤空顯現點為30米處，則布設10米級聯燈條；②為33.5米，則布設6.5米級聯燈條；③為39.2米，則布設1米級聯燈條；⑤為33米，則布設7米級聯燈條，其余以此類推。圖1的整個區域均有長短不一的作業盲點，最長的出現在④，達8.3米，最短的①和⑤，為3.5米。所有級聯燈條夾在鳥巢空間扭曲薄壁箱構件與鋼襯網之間穿放，尤其是從上向下穿行，需要內彎以倒置級聯燈條方式作業，如果燈條不能大跨度級聯、引出尾纜方法級聯或級聯燈條整根不具備彈性彎曲的特性，都不能實現鳥巢網幕的高效作業工藝。

研制新型大跨度、無引出尾纜連接器級聯且具備定向彈性彎曲的LED燈條才可夾行在鋼箱構件與鋼襯網之間，實現在鳥巢超異形多曲面幕墻構件內網幕嵌裝的便捷操作、乏點定位的高效作業模式。

3 定制LED燈條的殼體結構

殼體結構決定了LED燈條的機械性能、防護能力以及加工制造工藝，也是LED顯示裝置分類的主要依據和外部特征。除了優化燈條的重量、電氣性能外，尤其為鳥巢網幕定制的新型LED燈條增加了一項獨特的新功能，即燈條殼體的結構適合模塊化級聯，模塊化級聯意味著摒除了引出尾纜航空接插件式的電氣連接方式，剪掉蜈蚣腳，采用新型的連接塊與燈條一體化設計，實現機電合體級聯，使得級聯后的整根燈條的機械性能與單個燈條的相一致。

3.1 燈條的殼體設計

在鳥巢外框構件上安裝網幕裝置，首先需要滿足的是負重約束。要求所有LED設備裝置，包括燈條、級聯連接塊、定位板、電力線、信號線和電源/信號分配器等的總和小于6 kg/m2，按照燈條全雙套燈條配置、柵列間距15 cm折算，含連接塊的重量小于0.3 kg/m；顯而易見，輕質燈條可提高高空平臺車的運料量與高空操作的便捷性和安全性。現狀LED燈條單位重量0.5 kg以上，明顯超重。合理的殼體設計除滿足大跨度、順滑、定向彈性彎曲的特征外，還應減輕重量。減輕重量的主要措施在背面采用復雜折線曲線設計，保證機械柔韌度與強度并重的情況下，減少殼體的用料量。新型LED燈條底殼側視剖面造型如圖2所示，殼體采用輕質的PC料。

圖2 新型LED燈條底殼側視剖面圖Fig.2 Section layout of the LEDs bar’s enclosure

燈條背面中間凸起部位安排48V轉5V的DC-DC直流變換電路，兩端微凸，以安排20針雙向1+1接插件位置的緊固連接，殼體主體厚度僅12.4mm。這種復雜的凹凸形狀燈條底殼設計帶來了數個優點：

1) 首先是有效的減少了殼體用料量，進而減輕近一半的燈條重量。新型LED燈條設計重量如表1所示。

2)有效減小了燈條的截面，意味著風載的減小；

3)適合電路板接插件級別的機電合體級聯方式的實現；

4)殼體的整體設計助力引導了燈條更加朝著彎卷電路板的前后方向彎曲，加固了側向撓度。

5)利用PC料、硬質電路板等自身的歸位性，設計中注意控制模具的翹曲度，保證了燈條具有良好回彈性。

表1 新型LED燈條設計重量明細表

3.2 機電合體級聯的實現

定制新型模塊化機電合體級聯燈條是區別于通用LED燈條的的主要特征，也是契合鳥巢網幕安裝特征的主要創新目標。新型LED燈條的級聯采用機電合體方式，燈條底殼兩端級聯處與連接殼體合計厚度不高于中間DC-DC電路的凸起厚度。燈條級聯殼體側面剖視圖如圖3所示。

圖3 LED燈條殼體級聯側面剖視圖Fig.3 Side layout of the LEDs bar

兩段燈條之間采用接插件方式連接，連接塊殼體同樣為PC料。連接插針模塊表貼在燈板兩端，20針雙向及“1+1”的O型四壁簧片插孔模塊表貼在連接板兩端，采用各種結構對位導引對位，4組M5螺栓緊錮，以U形連接方式，連接塊與燈條之間形成了電氣和機械的可靠鏈接。而燈條與連接殼體一體化設計，使得級聯燈條受力彎曲點固定出現在燈條厚度最薄的位置，而非中間的DC-DC凸起和連接凸起處，保證了關鍵位置的最低受力。

實際上，由于具有優異的整根級聯特性，每根LED燈條可稱之為一節，其長度可稱之為節長。出于模具加工工藝的約束和鳥巢網幕斬斷線處拼接精度的考慮，LED燈條節長設計為0.5m，因此本新型LED燈條的制造長度可以隨意在一個節長0.5m至最大節數級聯后的長度之間任意定義。在直流48V加壓情況下，測試表明可級聯最大長度可達18 m。全新研制的新型LED燈條有如下改進點：

1)徹底剪掉了蜈蚣腳，使得物料運輸以及級聯燈條等均無任何引出尾纜的困擾，使得燈條具備了良好的平順性和通過性；

2)U型電路板級別接插件級聯方式實現了全程無手焊的電氣部件全機焊工藝流水線制作；

3)誕生了LED燈條節長的概念，級聯燈條以整體的概念出現，凸顯了模塊化生產的先進制造工藝，制造長度在最大跨距內可任意定義。

4)短節長的LED燈條適合模具化大規模快速生產的模式，也提高了加工流水線交接和操作的便捷性，加工生產效率比普通型材制造工藝高出一個數量級。

5)鳥巢幕墻上的梯道會造成LED燈條的斬斷，而短節長的LED燈條可得到更為精準的對接。如圖4所示。

圖4 鳥巢幕墻網幕布置立面-梯道斬斷線拼接處理Fig.4 Section layout of bird’s nest facade-split joint of LEDs bars isolated by the stairway

以半米節長，即以8個像素的精度填充梯道斬斷線。200 m遠處目視鳥巢網幕，鋸齒狀現象不明顯。

3.3 機電合體模塊化級聯的可靠性分析

連接通常是故障高發點。而隨著機電合體模塊化燈條的節長變短(由通用的1～1.5 m縮短為0.5 m)，相應的增加了1倍以上的連接點，算上全雙套配置的設計，凈增加了3倍的連接點，處理好連接可靠性問題是新型燈條能否成功的關鍵。為此，新型LED燈條采用了先進的電路板級別接插件工藝，并配合完善的殼體和電氣設計，提高連接可靠性，具體措施為：

1)燈條的接插針與連接塊的接插孔雙套設計，每路信號，每路電源均雙針孔配置，提高電氣接觸的可靠性，并降低接觸點壓降；

2)配置4簧片全向O型插孔器件，保證連接針孔間出現各向偏移時都可良好接觸；

3)燈條與連接進行一體化設計，采用表貼接插件、開模制作殼體工藝，使得燈板、接插針和殼體與連接板、接插孔和殼體之間的電氣和殼體構件完全契合。

4)U型連接塊與燈板殼體均設置了導引入位構造，保證連接塊與燈條級聯時針孔無損對接；

5)每處接插件的兩端用M5螺栓緊固，每個U型連接塊兩處接插件總計4套M5螺栓。4套螺栓可起到相互備份的作用，即使其中1套螺栓松動，可不會影響到整體電氣連通性能。

6)整個加工流水及現場組裝的全過程實現了無人工焊接介入，降低了不良品，并且大幅提高生產效率。

7)連接處內框采用定制膠墊保護密封，防止水、潮氣、塵土由此進入，消減插針孔氧化的可能性。

LED顯示產業是一個多專業、甚至跨專業匯集的綜合學科，尤其是機電合體、相互影響促進的緊密程度非同一般，可與手機制造業比擬。因此，在產品定型階段特聘請國防科工企業接插件行業專家就新型級聯方法、工藝和可用性等方面進行評審并加以改進。總之，相比較引出尾纜航空頭連接方式，新型LED燈條級聯方式除了其凸顯的功能優勢之外，其連接可靠性也同樣得到了大幅提升。

4 新型LED燈板設計特點

新型LED燈板除了完成正常的顯示功能之外，針對鳥巢網幕特殊安裝方式對級聯長度的要求，保障國家級重要性演出的高可用度，在網幕上電方式和LED像素失效亮閃故障消解等方面進行了有針對性的設計。

4.1 網幕上電方式

平臺作業車網幕安裝工藝要求單次起升載荷充分、起升頻次少，鳥巢復雜的空間扭曲鋼箱構件對嵌裝的網幕裝置形成了諸多的作業盲點，因此大跨度級聯燈條成為新型LED燈條的主要特征之一。現狀LED燈條的輸入電壓均小于30V，其饋電方式是：設置在地面的交流配電設施輸出220V至吊裝捆綁在網幕上的整流配電裝置，再輸出直流24V至級聯燈條。此種供電體制既不安全(網幕上220V電力線高于安全電壓)，也達不到大跨度級聯長度的要求(直流30V以下只能維持最大5m的級聯長度)。

經過測算，采用DC-DC變換電路、四針孔級聯、4層電路板設計，燈條在輸入48VDC的情況下可維持10米以上的級聯燈條穩定工作，達到了大跨距級聯長度的要求。其中DC-DC變換電路保證了高效電能轉換達90%左右，四針孔級聯最大程度的降低接觸電阻，即降低能耗，而四層電路板即保證了專有的48VDC傳遞通道上壓降合理，造價又不至于太過高昂。

考慮到鳥巢鋼箱構件的安全和攀爬維護人員的人身安全，將鳥巢網幕設計為全新型的集中供電體制，即將所有交直流配電和整流電路裝置設置在網幕下方的地面，根據網幕分區分散設置19個供電集結點。將網上的小型整流配電裝置改為由無源器件組成的直流分配裝置，與信號分配器裝置合體。供電集結點輸出48VDC至電源/信號分配器，再將48V電源饋給LED級聯燈條。

4.2 消黑電路

作為APEC峰會答謝晚宴廣場光藝表演的主顯示，視覺感染力大，而細微的干擾就會破壞顯示效果，因此鳥巢網幕的無干擾顯示尤其重要。電子產品的隨機失效不可避免，尤其鳥巢網幕全戶外暴露型，且短時定時定制，缺乏試運行時間的考驗，隨機失效的可能性更大。為保障網幕顯示整體的可用性，采用1+1全雙套屏幕(A屏+B屏)的設計思想，將MTBF提高了近一個數量級，即雙燈板同時故障的可能性壓縮在了0.5米范圍內。該可用度是基于燈板故障即自動退出的機制演算而來，即使發生多處單根(A或者B)失效，如果能及時黑場退出，也不影響整體顯示效果，稱之為非亮故障，或隱退故障。但是雙套配置系統非但掩蓋不了失控燈板亮閃的故障，反而會增加了燈板失控亮閃故障的機會，降低了可用度，是破壞整體顯示效果主因。北京奧運會開幕式地面長畫卷LED顯示屏對應失控亮閃故障的處理措施是由事先潛伏在地面舞臺下人員根據上邊的監看人員的指令，手工跳線消黑。而對于鳥巢網幕，這種人工處理手段顯然行不通。

與常亮點故障不同，失效亮閃一般以單節為單位成串出現，為此新型LED級聯燈條以單節燈板為單位加設將失控亮閃瞬間轉換為黑場的消黑電路，實測有效率達99%以上，誤操作率低于5%。

4.3 雙向輸入

如圖4所示的梯道處上下LED級聯拼接處，如果只能單向信號輸入，則每一個鋸齒線都需要進行像素移位，造成拼接工作量成數量級加大，且電源/信號分配器必須隨鋸齒狀拼接處布置，很凌亂。而具備雙向輸入信號的能力后，該局部只需要在上下分別輸送同一信號即可拼接成功，不需要進行像素計算與移位。

5 成果

根據鳥巢空間扭曲鋼箱構件的超異形特征，全新定制了適合嵌裝鳥巢網幕的新型模塊化級聯LED全彩燈條系列產品，從定型測試、批量生產到現場應用的整個過程，凸顯其生產效率高、作業便捷性好，運行穩定的特點，達到了設計目標，是迄今為止最為理想的組裝柔性類LED網幕的產品。鳥巢網幕在2014年APEC峰會答謝晚宴的光藝表演中零故障運行，效果震撼，大放異彩。

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[2] 陳英飛,於志平. 淺談杭州市燈光秀代替煙花秀的探索實踐[J]. 照明工程學報, 2015,26(3): 18-20.

[3] 尉穎琪,王詠笑,王潔，等. 城市景觀照明的國際經驗及其對中國的啟示[J]. 照明工程學報, 2015,26(3): 1-6.

[4] 視頻顯示系統工程測量規范:GB 50464—2008[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[5] LED顯示屏通用規范:SJ/T 11141—2012[S].

[6] 供配電系統設計規范:GB 50052—2009[S].北京：中國計劃出版社，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