灯具设计及其关注点

【Word版本下载可任意编辑】灯具设计及其关注点灯具设计要素包括外观、光学系统、热平衡、机械构造、电气附件、工艺、包装等。灯具设计首先要符合一定的安全要求，同时要关注并提高灯具的各种性能，主要是灯具的光学性能。

引言

灯具是装设于光源四周，使光源可靠地发出光线以满足人类从事各种活动时的照明需求的一种用具。

随着各种人工光源的陆续诞生和人们对照明要求的逐渐提高，为了保护光源和提高照明效果，各种灯具得到了迅速发展。灯具在质的方面解决了空间亮度的合理布局，提供了合适的亮度比照，限制了眩光，还能实现和谐的色彩组合等等;在量的方面大大提高了照度水平。

不同场合对照明器具的要求各不相同。例如火车头的灯光要求远而集中，与探照灯类似;室内灯具要求配光分布满足一定的要求;汽车照明前大灯要求能清晰看清路面障碍物，且不给对面驾驶员造成刺目的眩光;道路照明灯具要求光线在道路轴线方向远投，但又不能有过多的水平光线溢出等。所以灯具设计人员必须相当了解各类照明场所的基本照明要求和标准，才能设计出合理、优质的灯具。

1灯具和光源的概念

1.1灯具

灯具是指能分配、透出或转变一个或多个光源发出光线的一种器具，并包括支承、固定和保护光源必需的所有部件(但不包括光源本身)，以及必需的电路辅助装置和将它们与电源连接的装置。

采用整体式不可替换光源的发光器被视作一个灯具，例如光源不可替换的小夜灯。自镇流灯不包括在内。

1.2光源

凡可以将其他形式的能量转换成光能，从而提供光通量的设备、器具统称为光源。而其中可以将电能转换为光能，从而提供光通量的设备、器具则称为电光源。常用的电光源有:热致发光电光源(如白炽灯、卤钨灯等)、气体放电发光电光源(如荧光灯、汞灯、钠灯、金属卤化物灯等)、固体发光电光源(如LED和场致发光器件等)。

2灯具的分类

照明灯具的分类方法繁多，如按用途分类、按CIE推荐的根据光通量分配比例分类、按灯具的安装方式分类、按灯具使用光源的种类分类、按灯具外部软缆、软线的连接方式分类和按灯具的功能分类等等。按灯具安全性及使用环境分类如下。

2.1按防触电保护方式分类

为了电器安全，灯具所有带电部分必须采用绝缘材料等加以隔离，灯具的这种保护人身安全的措施称为防触电保护。根据防触电保护方式，灯具分为0类、Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。从电气安全角度看，0类灯具的安全程度，Ⅰ、Ⅱ类较高，Ⅲ类，有些国家已不允许生产0类灯具。每一类灯具的绝缘性能及适用情况见表1。

表1灯具的防触电保护等级及其适用情况

2.2按IP(IngreeProtection)等级分类

按国际电工委员会标准IEC529－598和国标GB4208规定，灯具根据对水和异物进入的防护程度开展分类，使用IP等级来表示。如“IP65”，其中第1位数字即与表2中等级6对应，表示完全防尘;第2位数字与表3中等级5对应，表示防止喷水进入，其余依此类推。

表2灯具防异物等级

2.3按灯具的支承面材料分类

灯具按支撑面材料分为:仅适宜于直接安装在非可燃材料表面的灯具和适宜于直接安装在普通可燃材料表面的灯具。

表3灯具防水等级

2.4按灯具使用环境分类

灯具按使用环境分为普通正常条件下使用的灯具和恶劣环境条件下使用的灯具。

3灯具设计

灯具是一种电器器具，其中包含改变光源光线在空间、时间、频率上分布的光学系统———反射器、折射器、格栅、滤光片、透镜(棱镜)等;保证光源正常工作的电器附件———镇流器、变压器、启动器、电容器等;机械构造件———灯座、外壳、支架、调节(调焦)机构、防(减)震器等。

光源因其发光体形状不同，发出的光线在空间中的分布也不相同。光源发出的光线需经过反射器或透镜等加以利用控制，也就是配光(包括对光色的控制)。在选择光源时，必须注意光源的发光体形状、大小要有利于灯具设计，容易得到要求的配光。如方形投照面宜选直线形光源;探照灯宜选用发光体小、亮度高的光源等。

灯具设计必须与应用场合密切结合，要了解各种照明场合的要求和主要指标，同时结合新型光源，不断提高设计水平。

3.1灯具外观设计

一款新灯具产品的开发，必须融入新的价值点。

在产品设计前，设计人员必须清楚地知道市场需要什么。设计的质量决定着产品质量，设计的周密性影响着产品的耐久性。新产品是否是创新的、实用的、有美学设想的、易被理解的、使用方便的、耐久的、拥有细节的、符合生态学的，是灯具产品外观设计中必须特别关注的要点。图1所示是几款LED台灯的外观设计。

图1几款LED台灯的外观设计

3.2灯具光学系统设计

灯具光学系统主要作用是把光源发出的光线按一定的要求投射到我们需要的空间或平面上去，形成特定的分布。其主要由光源、反射镜和透镜3个部分组成。设计灯具光学系统除要到达要求的配光外，还要考虑以下几点:如何节省材料，获得的经济效益;如何提高光源的光利用率，提高灯具效率;如何选择的光源以利于设计加工;如何使光源在光源腔内正常工作，对寿命影响等。为此应进一步了解各种光源的配光形状与参数，各种材料特性、几何形状对光输出分布、效率的影响，出射配光的实际效果等。

灯具除需具有合适的配光曲线外还应不产生眩光，限制眩光是照明设计中的一个重要问题，如一些灯具采用格栅等部件来限制眩光。

3.3灯具热平衡设计

灯具的热平衡设计是确保光源具有正常工作温度和工作寿命的重要环节。

光源是一个发光体，同时也是发热体，它被灯具包围，热量散发困难。散热不好，灯具各部件的温升增高，特别在环境温度较高的情况下，既影响光源的寿命，又对灯具的电气安全和材料的寿命不利，过热的外壳还影响用户的使用。因此，热平衡设计应考虑光源工作环境对其各种性能指标的影响、灯具零部件各种材料的使用温度、灯具的大小等。

各种光源的发光机理不同，使其发出的各类辐射和热损耗情况不同，表面温度有较大差异。环境温度对光源的发光性能有不同程度的影响，如环境温度对高压钠灯、卤钨灯、LED灯的寿命影响很大，因此对灯具外壳的体积设计有一定要求。对灯具而言，不同的体积应标出其使用光源功率，防止装入功率过大的光源后造成过热而影响寿命或灯头松动。

灯具中使用的基本部件如灯头、灯座、导线、绝缘体、外壳、各种塑料件等，因使用的位置不同，具有不同的实际温度，尤其要考虑其不同的承受温度，实际使用时必须低于其承受温度。表4为某PAR64－1000W投光灯的相关测试点热测试。

3.4灯具构造设计

不管灯具功能复杂还是简单，都必须通过机械构造来组合光控元件、电器、外壳等。机械构造设计对于灯具而言是非常重要的，不同用途的灯具，其构造和性能有不同的侧重点。灯具构造设计应考虑以下几方面。

表4PAR64－1000W投光灯(向下照射)热测试

3.4.1构造强度

灯具在使用过程中，绝不允许发生断裂等损坏现象，也不允许发生变形以致影响灯具正常运行。盲目增加尺寸、使用昂贵的材料增加强度可靠性，势必造成材料浪费、成本提高、重量增加、外观粗大笨重。因此构造设计要兼顾好刚度、耐久性、重量、成本等。

3.4.2寿命

对于构造件，必须考虑其在工作过程中的磨损以及反复应力引起的疲劳损坏，同时考虑灯具所有部件的统一寿命。

3.4.3耐热性

考虑光源腔内光源及电器部分产生的热传导、热辐射和热对流对构造件的影响，包括热变形、热老化及紫外辐射所引起的老化和性能改变。

3.4.4工艺

所设计的构造件要便于制造加工，适应已有的加工设备、现有制作条件和可行性，满足经济性和批量生产要求。灯具整体的加工应考虑适宜的装配工艺，降低加工成本。

3.4.5标准化

灯具构造件应尽量选用标准件和通用件，有利于降低成本，节约原材料，提高质量。

3.4.6美观性

使灯具满足功能性要求的同时还要兼顾其美观性，灯体表面处理可多元化以适应各类消费群体的需求。

3.5电气附件的选择

应保证电源连接件可靠、安全、布局合理，不影响相关部件的温升。

3.6包装设计

灯具的包装设计应结合市场或客户的具体要求开展细化，包装设计有工业包装、彩盒包装、吸塑包装、礼品包装等，同时满足一定的运输跌落要求。

4灯具产品的关注点

4.1安全方面

灯具首先要符合一定的安全要求，包括电、热和机械的安全要求。

有关电的安全要求涉及外部接线和内部接线电气安全要求，要保证防触电保护措施通过目视，泄漏电流符合要求，以及外壳防护满足一定的IP等级，灯具应有足够的绝缘电阻和电气强度，还应满足的爬电距离和电气间隙。对于Ⅰ类灯具还提出具体接地要求———“一定条件下接地电阻小于0.5Ω”。

有关热的安全要求涉及正常工作热试验、异常工作热试验、控制装置故障条件热试验。在正常和异常(工作位置异常、电路异常、光源异常)使用下，灯具的任何部件(包括光源)、灯具内的电源接线或安装表面不得到达影响安全的温度，灯具徒手可触及的部件不得过热，灯具不应使被照物体或安装导轨过分受热。灯具的热试验需使用防风罩。提供防触电保护的外部绝缘材料部件以及固定载流部件或安全特低电压部件就位的绝缘材料部件，应有足够的耐热、耐火和耐起痕性能。

在机械安全要求方面，灯具的构造应保证在正常使用中搬运时仍然安全。罩住带电部件的金属部件应有足够的机械强度，固定支架以及防水、防固体异物的构造件应有足够强度且不能倾倒，用弹簧冲击锤、钢球冲击、跌落试验、倾倒试验来验证，还应满足拉力扭矩的要求。

此外，装有灯控制器和调光器的灯具，其传导骚扰与辐射骚扰要满足规定值，强制的电器产品应符合电磁兼容标准GB17743－20**、GB17625.1－20**、GB/T18595－20**，以及GB19510系列标准。

除了满足以上提到的安全要求外通常灯具须通过一定的安全，如3C、CB、UL、CE等。

4.2性能方面

灯具性能主要表达在灯具的光度学性能，包括灯具的空间光分布、灯具效率、灯具维护系数等。

灯具的空间光分布数据是各类场所照明设计的根底。目前我国已有的灯具光度学测量标准有:

(1)GB/T9467室内灯具光度测试。

(2)GB/T9468道路照明灯具光度测试。

(3)GB/T7002投光照明灯具光度测试。

(4)GB/T9473－20**读写作业灯性能要求。

(5)GB/T7256－20**民用机场灯具一般要求。

(6)GB14887－20**道路交通信号灯。

(7)GB/T24827－20**道路与街路照明灯具性能要求。

不同场合用的灯具应采用不同测试标准并满足标准要求。

灯具效率是指在规定条件下测得的灯具所发射的光通量值与灯具内所有光源发出的光通量测定值之和的比值。作为灯具的重要性能指标，灯具效率也是灯具的节能指标。提高灯具效率的主要途径有改善配光设计、优化光源与灯具的匹配设计、选择反射系数高的反射材料、选用透光系数高的透镜材料、以及使用新材料、新工艺等。

灯具维护系数等于灯具在使用一段时间后作业面上的平均照度与新灯具在同等条件下得到的平均照度之比，因灯具的IP等级、环境条件和点燃时间的不同而不同。道路照明灯具的维护系数为光源