燈具設計及其關(guān)注點

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】燈具設計及其關(guān)注點燈具設計要素包括外觀、光學系統(tǒng)、熱平衡、機械構(gòu)造、電氣附件、工藝、包裝等。燈具設計首先要符合一定的安全要求，同時要關(guān)注并提高燈具的各種性能，主要是燈具的光學性能。

引言

燈具是裝設于光源四周，使光源可靠地發(fā)出光線以滿足人類從事各種活動時的照明需求的一種用具。

隨著各種人工光源的陸續(xù)誕生和人們對照明要求的逐漸提高，為了保護光源和提高照明效果，各種燈具得到了迅速發(fā)展。燈具在質(zhì)的方面解決了空間亮度的合理布局，提供了合適的亮度比照，限制了眩光，還能實現(xiàn)和諧的色彩組合等等;在量的方面大大提高了照度水平。

不同場合對照明器具的要求各不相同。例如火車頭的燈光要求遠而集中，與探照燈類似;室內(nèi)燈具要求配光分布滿足一定的要求;汽車照明前大燈要求能清晰看清路面障礙物，且不給對面駕駛員造成刺目的眩光;道路照明燈具要求光線在道路軸線方向遠投，但又不能有過多的水平光線溢出等。所以燈具設計人員必須相當了解各類照明場所的基本照明要求和標準，才能設計出合理、優(yōu)質(zhì)的燈具。

1燈具和光源的概念

1.1燈具

燈具是指能分配、透出或轉(zhuǎn)變一個或多個光源發(fā)出光線的一種器具，并包括支承、固定和保護光源必需的所有部件(但不包括光源本身)，以及必需的電路輔助裝置和將它們與電源連接的裝置。

采用整體式不可替換光源的發(fā)光器被視作一個燈具，例如光源不可替換的小夜燈。自鎮(zhèn)流燈不包括在內(nèi)。

1.2光源

凡可以將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成光能，從而提供光通量的設備、器具統(tǒng)稱為光源。而其中可以將電能轉(zhuǎn)換為光能，從而提供光通量的設備、器具則稱為電光源。常用的電光源有:熱致發(fā)光電光源(如白熾燈、鹵鎢燈等)、氣體放電發(fā)光電光源(如熒光燈、汞燈、鈉燈、金屬鹵化物燈等)、固體發(fā)光電光源(如LED和場致發(fā)光器件等)。

2燈具的分類

照明燈具的分類方法繁多，如按用途分類、按CIE推薦的根據(jù)光通量分配比例分類、按燈具的安裝方式分類、按燈具使用光源的種類分類、按燈具外部軟纜、軟線的連接方式分類和按燈具的功能分類等等。按燈具安全性及使用環(huán)境分類如下。

2.1按防觸電保護方式分類

為了電器安全，燈具所有帶電部分必須采用絕緣材料等加以隔離，燈具的這種保護人身安全的措施稱為防觸電保護。根據(jù)防觸電保護方式，燈具分為0類、Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。從電氣安全角度看，0類燈具的安全程度，Ⅰ、Ⅱ類較高，Ⅲ類，有些國家已不允許生產(chǎn)0類燈具。每一類燈具的絕緣性能及適用情況見表1。

表1燈具的防觸電保護等級及其適用情況

2.2按IP(IngreeProtection)等級分類

按國際電工委員會標準IEC529－598和國標GB4208規(guī)定，燈具根據(jù)對水和異物進入的防護程度開展分類，使用IP等級來表示。如“IP65”，其中第1位數(shù)字即與表2中等級6對應，表示完全防塵;第2位數(shù)字與表3中等級5對應，表示防止噴水進入，其余依此類推。

表2燈具防異物等級

2.3按燈具的支承面材料分類

燈具按支撐面材料分為:僅適宜于直接安裝在非可燃材料表面的燈具和適宜于直接安裝在普通可燃材料表面的燈具。

表3燈具防水等級

2.4按燈具使用環(huán)境分類

燈具按使用環(huán)境分為普通正常條件下使用的燈具和惡劣環(huán)境條件下使用的燈具。

3燈具設計

燈具是一種電器器具，其中包含改變光源光線在空間、時間、頻率上分布的光學系統(tǒng)———反射器、折射器、格柵、濾光片、透鏡(棱鏡)等;保證光源正常工作的電器附件———鎮(zhèn)流器、變壓器、啟動器、電容器等;機械構(gòu)造件———燈座、外殼、支架、調(diào)節(jié)(調(diào)焦)機構(gòu)、防(減)震器等。

光源因其發(fā)光體形狀不同，發(fā)出的光線在空間中的分布也不相同。光源發(fā)出的光線需經(jīng)過反射器或透鏡等加以利用控制，也就是配光(包括對光色的控制)。在選擇光源時，必須注意光源的發(fā)光體形狀、大小要有利于燈具設計，容易得到要求的配光。如方形投照面宜選直線形光源;探照燈宜選用發(fā)光體小、亮度高的光源等。

燈具設計必須與應用場合密切結(jié)合，要了解各種照明場合的要求和主要指標，同時結(jié)合新型光源，不斷提高設計水平。

3.1燈具外觀設計

一款新燈具產(chǎn)品的開發(fā)，必須融入新的價值點。

在產(chǎn)品設計前，設計人員必須清楚地知道市場需要什么。設計的質(zhì)量決定著產(chǎn)品質(zhì)量，設計的周密性影響著產(chǎn)品的耐久性。新產(chǎn)品是否是創(chuàng)新的、實用的、有美學設想的、易被理解的、使用方便的、耐久的、擁有細節(jié)的、符合生態(tài)學的，是燈具產(chǎn)品外觀設計中必須特別關(guān)注的要點。圖1所示是幾款LED臺燈的外觀設計。

圖1幾款LED臺燈的外觀設計

3.2燈具光學系統(tǒng)設計

燈具光學系統(tǒng)主要作用是把光源發(fā)出的光線按一定的要求投射到我們需要的空間或平面上去，形成特定的分布。其主要由光源、反射鏡和透鏡3個部分組成。設計燈具光學系統(tǒng)除要到達要求的配光外，還要考慮以下幾點:如何節(jié)省材料，獲得的經(jīng)濟效益;如何提高光源的光利用率，提高燈具效率;如何選擇的光源以利于設計加工;如何使光源在光源腔內(nèi)正常工作，對壽命影響等。為此應進一步了解各種光源的配光形狀與參數(shù)，各種材料特性、幾何形狀對光輸出分布、效率的影響，出射配光的實際效果等。

燈具除需具有合適的配光曲線外還應不產(chǎn)生眩光，限制眩光是照明設計中的一個重要問題，如一些燈具采用格柵等部件來限制眩光。

3.3燈具熱平衡設計

燈具的熱平衡設計是確保光源具有正常工作溫度和工作壽命的重要環(huán)節(jié)。

光源是一個發(fā)光體，同時也是發(fā)熱體，它被燈具包圍，熱量散發(fā)困難。散熱不好，燈具各部件的溫升增高，特別在環(huán)境溫度較高的情況下，既影響光源的壽命，又對燈具的電氣安全和材料的壽命不利，過熱的外殼還影響用戶的使用。因此，熱平衡設計應考慮光源工作環(huán)境對其各種性能指標的影響、燈具零部件各種材料的使用溫度、燈具的大小等。

各種光源的發(fā)光機理不同，使其發(fā)出的各類輻射和熱損耗情況不同，表面溫度有較大差異。環(huán)境溫度對光源的發(fā)光性能有不同程度的影響，如環(huán)境溫度對高壓鈉燈、鹵鎢燈、LED燈的壽命影響很大，因此對燈具外殼的體積設計有一定要求。對燈具而言，不同的體積應標出其使用光源功率，防止裝入功率過大的光源后造成過熱而影響壽命或燈頭松動。

燈具中使用的基本部件如燈頭、燈座、導線、絕緣體、外殼、各種塑料件等，因使用的位置不同，具有不同的實際溫度，尤其要考慮其不同的承受溫度，實際使用時必須低于其承受溫度。表4為某PAR64－1000W投光燈的相關(guān)測試點熱測試。

3.4燈具構(gòu)造設計

不管燈具功能復雜還是簡單，都必須通過機械構(gòu)造來組合光控元件、電器、外殼等。機械構(gòu)造設計對于燈具而言是非常重要的，不同用途的燈具，其構(gòu)造和性能有不同的側(cè)重點。燈具構(gòu)造設計應考慮以下幾方面。

表4PAR64－1000W投光燈(向下照射)熱測試

3.4.1構(gòu)造強度

燈具在使用過程中，絕不允許發(fā)生斷裂等損壞現(xiàn)象，也不允許發(fā)生變形以致影響燈具正常運行。盲目增加尺寸、使用昂貴的材料增加強度可靠性，勢必造成材料浪費、成本提高、重量增加、外觀粗大笨重。因此構(gòu)造設計要兼顧好剛度、耐久性、重量、成本等。

3.4.2壽命

對于構(gòu)造件，必須考慮其在工作過程中的磨損以及反復應力引起的疲勞損壞，同時考慮燈具所有部件的統(tǒng)一壽命。

3.4.3耐熱性

考慮光源腔內(nèi)光源及電器部分產(chǎn)生的熱傳導、熱輻射和熱對流對構(gòu)造件的影響，包括熱變形、熱老化及紫外輻射所引起的老化和性能改變。

3.4.4工藝

所設計的構(gòu)造件要便于制造加工，適應已有的加工設備、現(xiàn)有制作條件和可行性，滿足經(jīng)濟性和批量生產(chǎn)要求。燈具整體的加工應考慮適宜的裝配工藝，降低加工成本。

3.4.5標準化

燈具構(gòu)造件應盡量選用標準件和通用件，有利于降低成本，節(jié)約原材料，提高質(zhì)量。

3.4.6美觀性

使燈具滿足功能性要求的同時還要兼顧其美觀性，燈體表面處理可多元化以適應各類消費群體的需求。

3.5電氣附件的選擇

應保證電源連接件可靠、安全、布局合理，不影響相關(guān)部件的溫升。

3.6包裝設計

燈具的包裝設計應結(jié)合市場或客戶的具體要求開展細化，包裝設計有工業(yè)包裝、彩盒包裝、吸塑包裝、禮品包裝等，同時滿足一定的運輸?shù)湟蟆?/p>

4燈具產(chǎn)品的關(guān)注點

4.1安全方面

燈具首先要符合一定的安全要求，包括電、熱和機械的安全要求。

有關(guān)電的安全要求涉及外部接線和內(nèi)部接線電氣安全要求，要保證防觸電保護措施通過目視，泄漏電流符合要求，以及外殼防護滿足一定的IP等級，燈具應有足夠的絕緣電阻和電氣強度，還應滿足的爬電距離和電氣間隙。對于Ⅰ類燈具還提出具體接地要求———“一定條件下接地電阻小于0.5Ω”。

有關(guān)熱的安全要求涉及正常工作熱試驗、異常工作熱試驗、控制裝置故障條件熱試驗。在正常和異常(工作位置異常、電路異常、光源異常)使用下，燈具的任何部件(包括光源)、燈具內(nèi)的電源接線或安裝表面不得到達影響安全的溫度，燈具徒手可觸及的部件不得過熱，燈具不應使被照物體或安裝導軌過分受熱。燈具的熱試驗需使用防風罩。提供防觸電保護的外部絕緣材料部件以及固定載流部件或安全特低電壓部件就位的絕緣材料部件，應有足夠的耐熱、耐火和耐起痕性能。

在機械安全要求方面，燈具的構(gòu)造應保證在正常使用中搬運時仍然安全。罩住帶電部件的金屬部件應有足夠的機械強度，固定支架以及防水、防固體異物的構(gòu)造件應有足夠強度且不能傾倒，用彈簧沖擊錘、鋼球沖擊、跌落試驗、傾倒試驗來驗證，還應滿足拉力扭矩的要求。

此外，裝有燈控制器和調(diào)光器的燈具，其傳導騷擾與輻射騷擾要滿足規(guī)定值，強制的電器產(chǎn)品應符合電磁兼容標準GB17743－20**、GB17625.1－20**、GB/T18595－20**，以及GB19510系列標準。

除了滿足以上提到的安全要求外通常燈具須通過一定的安全，如3C、CB、UL、CE等。

4.2性能方面

燈具性能主要表達在燈具的光度學性能，包括燈具的空間光分布、燈具效率、燈具維護系數(shù)等。

燈具的空間光分布數(shù)據(jù)是各類場所照明設計的根底。目前我國已有的燈具光度學測量標準有:

(1)GB/T9467室內(nèi)燈具光度測試。

(2)GB/T9468道路照明燈具光度測試。

(3)GB/T7002投光照明燈具光度測試。

(4)GB/T9473－20**讀寫作業(yè)燈性能要求。

(5)GB/T7256－20**民用機場燈具一般要求。

(6)GB14887－20**道路交通信號燈。

(7)GB/T24827－20**道路與街路照明燈具性能要求。

不同場合用的燈具應采用不同測試標準并滿足標準要求。

燈具效率是指在規(guī)定條件下測得的燈具所發(fā)射的光通量值與燈具內(nèi)所有光源發(fā)出的光通量測定值之和的比值。作為燈具的重要性能指標，燈具效率也是燈具的節(jié)能指標。提高燈具效率的主要途徑有改善配光設計、優(yōu)化光源與燈具的匹配設計、選擇反射系數(shù)高的反射材料、選用透光系數(shù)高的透鏡材料、以及使用新材料、新工藝等。

燈具維護系數(shù)等于燈具在使用一段時間后作業(yè)面上的平均照度與新燈具在同等條件下得到的平均照度之比，因燈具的IP等級、環(huán)境條件和點燃時間的不同而不同。道路照明燈具的維護系數(shù)為光源