一款多用途灯具的研究和设计

2021-09-27熊慧珺杨宝林刘世国

光源与照明 2021年2期

熊慧珺，杨宝林，刘世国

武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050

0 引言

家居类灯具根据应用场景的不同，可分为室内灯具和室外灯具。根据灯具安装后位置是否能够移动，室内灯具又可分为室内移动式灯具和室内固定式灯具[1]。其中，室内移动式灯具指可在室内自由变换位置的灯具，其放置位置可根据室内布置的需要和被照物的位置而改变，主要包括台灯、落地灯、艺术欣赏灯等，可用于局部照明和装饰照明。作为读写照明用的台灯的使用范围最为广泛，包括家庭、教室等类似场所[2]。室内固定式灯具指安装在室内某一固定位置的灯具，主要包括吸顶灯、吊灯、面板灯、筒灯、射灯、装饰灯等。

1 台灯的使用要求

如表1所示，《读写作业台灯性能要求》（GB/T 9473—2017）[3]将台灯照度分成了A级和AA级两个等级，AA级要优于A级。眩光要求规定：正常工作位置的出光口面高度低于750 mm的灯具，当人处于坐姿的位置时，人眼观察到的所有发光部件的表面亮度不应大于2 000 cd/m2。

表1 照度及照度均匀度要求

光生物安全规定使用LED光源的灯具按《应用IEC 62471评估光源和灯具的蓝光危害》（IEC TR 62778）评估的蓝光危害类别不应超过RG0，要求相对较高。白光LED的光谱曲线。其中，400～500 mm的蓝光的峰值较高，这是由于白光LED都是用荧光粉包裹蓝光LED，蓝光LED通电后发出的蓝光打在荧光粉上产生黄光，黄光与蓝光混合从LED中射出，使人们看到白光，但这其实只是黄蓝两种颜色的混合光。但是，人眼长时间接受过量蓝光可能会对视网膜造成损伤，因此必须控制灯具的蓝光。

灯具的频闪指灯具的光通量随时间波动的现象，具体体现为灯光在较短时间内出现明暗变化。人眼对灯具的明暗变化有一个可辨别的阈值，当灯光的闪烁频率在80 Hz以上时，人眼将无法察觉，但灯光的闪烁依然存在。严重的频闪会刺激人的视觉系统，容易引发视觉疲劳，因此用作读书写字照明的台灯必须注意频闪问题。灯具频闪的根源在于灯具的驱动电路。灯具的驱动电路通常可以分为开关恒流电路、线性IC电路和阻容降压电路3种。以最常用的开关恒流电路为例，灯具驱动电路的输入端接入交流市电，通过变压器降压，再经过整流、滤波、稳压，输出稳定的低压直流电，用于给LED供电。所输出的直流电电压是恒定值，但电流波形不是一条直线，而是类似交流电按周期变化的曲线，这表明给LED供电的电流是随时间按周期性变化。LED输出的光通量取决于输入的电流大小，会随时间波动，导致灯具的光通量随时间波动，因此灯具的频闪很难避免。通过合理地配置灯具驱动电路，可以有效地降低输出电流的波峰，当电流的最大值和最小值之差与电流平均值相比小于5%时，灯具的频闪在人眼可接受范围内。

随着城市化的发展，很多家庭都是租住房屋，租住房屋的照明条件通常难以满足读写照明的“固定式灯具的大范围照明+台灯的局部照明”要求，甚至室内部分区域的灯光严重不足。此时需增设各种台灯，并且在灯光不足的地方安装固定式灯具。为了防止台灯在调节角度过小时倾倒，会在台灯底座加配重块，一般是较大的铸铁件，使台灯底座的尺寸通常较大。对于小户型家庭，较大底座的台灯会占用原本就相对拥挤的桌面空间。另外，固定式灯具在安装时需在天花板或墙壁上打孔以及铺设线路，将破坏室内原有的外观，因此租户难以根据实际需求安装固定式灯具，为生活和学习带来了极大的不便。

2 多用途灯具的用途、结构和材料

针对上述原因，笔者设计了一款兼具台灯和固定式灯具功能的多用途灯具。该灯具的电源线末端为插头，将插头插入房屋内的插座即可给灯具供电；当灯具安装处附近无插座时，可利用灯具随机配置的移动电源供电，解决了新增灯具的线路铺设问题。

所设计的多用途灯具由壁挂座、伸缩杆、安装卡钩、灯具主体等部分组成，其吊装示意图如图1所示，壁装示意图如图2所示。

图1 多用途灯具吊装示意图

图2 多用途灯具壁装示意图

其中，壁挂座通过背面的吸盘或背胶固定在墙壁上，正面设有支座，与伸缩杆尾端相配合，伸缩杆可以相对壁挂座在垂直平面内旋转±90°，停留在相应位置，如图3所示。伸缩杆的长度可调节，其头部与安装卡钩相配合。该灯具本体安装在安装卡钩上，并可相对于伸缩杆在水平面旋转360°、垂直面内旋转±90°，停留在相应位置。灯具电源线末端设有2脚插头，可插入插座得电。

由以上结构可知，该灯具无须在墙上打孔，无须另外铺设线路，即可实现吊装和壁挂两种安装模式，还可以根据需要调节灯具的照明角度，作为固定式灯具使用。通过调整伸缩杆的长度，能大幅度快速地调节灯具与被照物的距离，调整后距离桌面较近时可将其作为台灯使用。

该灯具本体主要由塑料（PC）制成，采用LED光源。安装卡钩的材料是PC，伸缩杆的材料是铝合金。为了达到足够的强度和使用寿命，壁挂座的材料采用聚丙烯（PP）+30%玻纤。由灯具各主要部分的材料可知，该灯具整体重量较轻，吊装或壁装后，安装强度可符合CCC标准。该灯具可以作为台灯使用，因此需降低眩光，并满足光生物安全的要求，即蓝光危害类别不得超过RG0。

照明用LED灯具的光源板的安装方式分为直装式和侧装式2种。直装式的光源板安装在灯具出光系统的底部，LED发光面对灯具的出光口，一般通过透镜改变LED的出光性能。当灯具的光通量较大且色温在4000 K以上时，眩光较严重，无法满足光生物安全的要求。侧装式的光源板安装在灯具出光系统的侧面，其LED发光面不直接对着出光口，而是通过导光板将光导出至灯具的出光口，导光板的材料通常采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或PC。经测量发现，光源板侧装式灯具所发出的蓝光会显著减少，眩光程度也较轻。因此，该灯具将光源板侧装，灯具出光系统的底部放置反光纸，再用导光板紧贴LED，使LED发出的光经过折射和反射，均匀、柔和地导出至出光口。

该灯具还可以加装红外传感器和光线传感器并增加相应的调节电路。灯具加装红外传感器后，可根据灯具下方是否有人而自动开关灯；加装光线传感器后，可根据灯具所处环境的光线亮度，自动调节灯具的发光亮度。

另外，该灯具采用隔离电源，且采用塑料外壳，属于二类灯具，安全性较高。