摘要：针对LED显示屏的构造，简述其结构设计方法及思路，并总结这些方法论在设计实践中的用途及影响。
关键词：LED显示屏；结构；设计
引言
伴随着国内LED芯片制造和封装技术逐步形成完整产业链，在过去二十多年的时间里，LED显示屏技术和行业得以迅猛发展，现已成为现代信息媒体传播的主要手段，在公共交通、广告传媒、会议通讯等领域得到了广泛的应用。LED电子显示屏是以先进的视频显示技术为基础，采用超高亮度的电子发光材料LED做显示器件，整合各类音频系统，实现播放各种图像、音视频信息的显示终端。由于LED具有高亮度、低功耗、长寿命和耐候性等优点，目前已成为室内/户外大型显示系统的首选。
1、LED 显示屏概述
LED显示屏属于一种平板显示器，由若干个小块LED模块总成组合而成，通过系统控制调节每个LED的发光亮度，能够显示文字、图像、视频等信息。相对于LCD显示屏受制于大面积无缝拼接效果，LED显示屏具有可任意拓展、无缝拼接的面积延展性优势，能够保证良好的图像显示效果。同时，配合当代的触摸、云端播控等互动技术，LED 显示屏可像个人PC一样轻松实现人机互动。
2、LED显示屏结构分类
按照外观形态及装配方式，LED 显示屏的结构主要分为以下几种：即箱体结构、模组结构和钢架结构。
2.1箱体结构
箱体结构按照放置环境可分为室内箱体与户外箱体，按照组配方式可分为落地箱体与吊挂箱体。室内箱体与户外箱体的主要区别在于，室内箱体对于防尘防水的要求较低，屏体散热也易于解决，而处在恶劣环境下的户外箱体对于防尘防水的防护等级要求至少到IP65级，背面门的防护等级应达到IP43级，以防止直径或者厚度大于1.0mm 的工具以及电线等细小外来体进入箱体，同时须做好通风散热工作。
2.2模组结构
LED显示屏的基本组成单位为显示模块，其通常是由若干个LED显示像素按照一定顺序排列、通过焊接和灌胶等工艺封装在固定的壳体里、结构上独立的最小显示单元，平常室内称作“单元板”，户外称为“模组”。为了便于组装出厂成品通常是以显示模组为主，使用时将多个显示模块和显示驱动拼装成模组，再将这些单元模组加上驱动电源、控制电路、机箱和风扇等相结合，组成“箱体”。LED 显示屏模组按照颜色分类可分为单色模组、双色模组以及全彩模组，像素规格通常有 16×8、32×16和64×32等。
2.3钢架结构
无论是安装在室内或者户外的显示屏，均需要使用钢架结构进行固定，用以保证承重稳定性。在设计钢架结构时，须先对当地的地质条件以及天文气象等做充分调研，并进行风载荷、地震载荷等一系列受力分析计算，可采用有限元分析软件辅助建模测算后预留足够安全余量。为有效地保证装配载体结构的可靠性，设计理念上应以稳固为主，结合现场实地情况，确定设计参数使受力分布均匀；施工上通常采用方通和槽钢等钢材进行焊接成框架，个别方案还辅以混凝土结构来实现。客户在安装显示屏之前，需通过显示屏供方的图纸充分了解箱体的安装流程，选择适合的方式进行组配。
3、LED显示屏结构设计步骤
3.1灯珠选型
灯珠作为LED显示屏的核心部件，市面存在各种各样类型产品，其性能也不尽相同，如图 1 所示。LED 灯珠通常由R、G、B这三种基本颜色及其RGB混合可形成的黄、白等其他颜色。从加工样式上分类，LED 灯珠分为插针式（DIP)和贴片式(SMT)两种，本文选择常见的亮度高、散热好、制程工艺简单的插针式灯珠作介绍。
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3.2灯条外观设计
灯珠选型用圆头或者钢盔头，这种圆弧形外观能对雨水进行导流，不会让积水滞留在灯条上，还能对灯条起冲刷清洁作用。除通过设计流线型灯条面罩外，其他平面部分还将增加细致条纹并对面罩喷涂抗UV亚光黑油，防止太阳光照射产生反光，这样不仅有更佳的美观效果，而且降低了正面的感官高度。同时，设计上采取降低灯珠的装配凸高，既可以减小灯条受风面积，又能在视觉上让灯条面积变窄，极大改善LED显示屏的通透性。
3.3灯板结构设计
灯条通常选用1.6mm厚度的双层PCB为基板，将灯珠分别排布在两板中，并用跨针来对两板面进行有效连接；组装后采用波峰焊接工艺，使其表层形成绿油隔氧层，防止线路受潮氧化而减少寿命。通过灯板结构设计优化，既能减小PCB板宽度、降低灯条高度、且保证灯板单元强度，又可以起到增加单位面积像素、提升显示屏亮度和提高防水效果。
3.4壳体结构
壳体采用了上、下两部分分体式结构设计，通过卡扣或滑槽对位预装再用螺钉进行最后连接固定；此举目的是便于安装密封条和灯板，避免因多重装配误差累积导致出现拆装困难。同时采用套件拼插设计把各模块之间的拼接误差控制在±0.1mm以内，实现无缝拼接且便于安装。具体操作时，在下壳体中先进行灯条安装，再将内部布线整理固定好，最后将密封条逐一装配到位并检查无误后，直接扣上充当盖板的上壳体，操作简单、便捷高效。最后涂抹三防漆，其固化后形成一层透明保护膜，可保护线路板等电子器件免受坏境的侵蚀，使产品具有优越的绝缘、防漏电、抗腐蚀、抗老化、耐电晕等性能。产品出厂前还将进行震动等机械性能测试，排除壳体装配螺丝松脱、线材连接不良等隐患，以保证显示屏适宜长途运输；灯壳结构三维如图 2 所示。
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3.5 密封设计
对于户外LED 显示屏而言，其所处环境决定其更要注重密封设计来解决防水性能。目前主流设计为采用灯珠密封、线路密封和壳体密封独立分体设计形式，这样即使正面灯珠密封出现渗水，也不会影响到其他模块，如背部的线路部分。为了便于后期拆装利用，现采用开模方式热压成型制作防水硅胶垫圈(条)来替代旧式灌胶防水。根据实际案例可采用了分段式密封设计来实现多层次防水，选择适当的设计接触面和接触受力使密封条压缩成致密状，避免了密封条长度过长和装配拉伸而导致密封失效。
在实际应用中，可将灯条划分为多个区块并独立采用胶条分开密封，相互间不影响。为防止雨水从出线端缝隙流入箱体内部，可采用一两次折弯走线和通过两三个密封垫后再将线束引出出线口，这样经分层密封防护可降低线路的引流能力。同时线束每一次的折弯都需预留足够的过线空间，避免过度挤压导致绝缘破损。
3.6 材质选择
显示屏日常工作中，众多LED在电光转化过程中会产生热量，特别是户外密闭环境下如果散热效果不佳，轻则导致LED等电子元件失效或降低其使用寿命重则引发火灾事故隐患。故在结构选材设计方面应以散热为重点，选择较高导热系数的材料；且考虑到结构强度，材料本身也要有较好刚度，同时兼顾到产品成本，最佳性价比材料优选6063铝合金；因其优秀的导热性、耐蚀性以及力学性能，且易于机加工和氧化等表面处理，非常适合用做LED显示屏电子散热材料。铝合金可通过电解工艺处理改善其性能，将铝材放进硫酸、铬酸等电解液中，施加电流实现电解，可在其表面形成厚度在5～30μm的致密氧化铝层保护膜，能明显改善其耐腐蚀性和提高表层硬度。
壳体的材质可根据客户的实际要求，采用金属（铸铝、铝板或铁板）或者塑胶（尼龙+玻纤）等材质来实现，兼顾美观、强度和性能。
另外，选择可循环利用的高级硅橡胶密封条替代灌封胶来实现防水是未来结构设计发展趋势。这类硅橡胶材料密封条不仅具有中空泡管结构、压缩永久变形率小、极佳的回弹性等特点，而且耐寒耐高温、耐弱酸碱、耐紫外线、产品稳定，广泛应用在通讯电缆、医疗卫生等领域，其使用寿命为普通橡胶密封件的3倍以上；不仅有效地提高生产效率，而且便于拆卸更换，极大地降低了维护成本。
3.7卡具设计
卡具分为上盖与下托两种，主要用于壁挂式LED显示屏的安装固定；因壁挂式多为高处固定，为提高显示屏下方视距效果，设计了一定的卡具倾角用以实现屏幕视角的倾斜，倾斜角度取值主要依据显示屏的离地高度。以户外壁挂式LED显示屏为例，考虑到施工安全及吊装便利性，可以选择下盖固定上盖拆卸的方式，将下盖作为支撑灯箱整体重量的底托，上盖用螺钉固定在箱体上，背部留出足够的维护通道，以确保工作人员可以在屏体背部进行拆装和后期维护保养工作。
4结束语
总体而言，随着现代科学技术应用不断地推陈出新，LED显示屏的构造和形态也逐渐多样化发展，充分解决了传统显示屏所暴露出一些问题和瑕疵；同时也要求工程设计人员必须与时俱进，积极引入各类新材料、新工艺应用在LED显示屏结构设计上，提升其结构的实用性和产品附加值，满足客户对LED显示屏的众多使用场景需求，推动LED显示屏产业健康持续发展。
参考文献:
[1]基于ARM的LED显示屏设计研究[J]. 黄显澍.硅谷.2013(14)
[2]LED显示屏设计与应用[J].吕晓雯.《宁波工程学院学报》.2015
[3]LED条状显示屏结构设计的研究[D]. 边晓峰.大连理工大学2016
[4]浅析LED显示屏在建设中的应用[J]. 骆卉,张晓利.智能建筑电气技术.2017(06)
论文作者:蓝方炜,林清云
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/12
标签：显示屏论文; 箱体论文; 结构论文; 模组论文; 壳体论文; 结构设计论文; 户外论文; 《防护工程》2018年第23期论文;