使光源可靠地發出光線,以滿足人類從事各種活動時對光線需求的一種照明器具。簡稱燈。燈本作“鐙”,鐙是古代一種食用器具,“鐙(燈)”因其外形與它相似而得名(圖1)。英語中lamp來源於希臘語lampas,原意為炬,是一種早期的火焰光源和燈具。現代的電氣燈具除電光源部分外,還包括光學部件、電氣部件和機械部件。

  簡史 人類使用過的燈具共有兩大類,一類是燃燒植物油、煤油或煤氣等以產生火焰光源的燈具,另一類是現代廣泛使用的以電作能源的電氣燈具。

  早在公元前7萬年前的舊石器時代,人類就發明瞭最原始的火焰燈具,即在石頭、貝殼或其他合適的形狀的物體中放入苔蘚和動物油脂,點燃發光,這種形式一直保持到18世紀。現今的阿留申人和阿拉斯加的愛斯基摩人至今還在使用這種形式的燈。公元前6世紀左右,希臘出現瞭用陶器和金屬制作的火焰燈具。公元5~15世紀,歐洲出現用菜籽油作燃料、帶有燈芯的油燈。它用軟木或木材制成浮子將燈芯浮起;也有的將燈芯放在一個斜的凹槽中或放在盛油器邊上。油燈後來發展到采用紅色玻璃燈罩和黃銅裝飾托架,作為聖殿燈懸掛在教堂前供舉行聖禮時用。18世紀開始采用平面燈芯代替過去的圓形燈芯,燈芯從金屬細管中引出並用棘輪控制燈芯的升降,燈外加玻璃防風罩,提高瞭火焰的亮度和穩定性。1795年首次鉆出石油後,油燈逐漸使用煤油作燃料。1895年,煤油燈有瞭實質性改進,出現瞭煤油氣燈。它是在盛油的容器中施加壓力,點燃一個塗有鈰釷的織物網罩,發出白熾光。其光通量達到2500lm。在此後的近一個世紀中,煤油氣燈廣泛用於沒有電力照明的各種室內外場所。

  大約在1784年就有瞭煤氣燈。它不太安全,但可以用作路燈。到19世紀初,煤氣燈已成為歐美等國城市道路的主要照明燈具。

  第一盞電氣燈具,是英國人 H.戴維在發現碳弧後於1809年發明的。當時使用2000多個電池才得到瞭連續電弧。這種碳弧燈在1850年出現蒸汽發電機後才付之實用,到19世紀90年代趨於完善。碳弧燈點燃時有噪聲,隻能用作路燈或大面積場所的照明燈,曾使用在倫敦、巴黎等城市的街道和廣場上,但未能廣泛使用。

  1879年美國人T.A.愛迪生發明瞭碳絲白熾燈。1907年出現鎢絲白熾燈。此後又逐漸解決瞭白熾燈的生產和發配電等問題。從此,電氣燈具逐漸代替煤氣燈和煤油氣燈而成為人類的主要照明燈具。到1911年左右,電力成為主要的新能源以後,電氣燈具得到迅速發展,隨著各種新型電光源的出現和照明技術的不斷發展,誕生瞭許多新型的電氣燈具。

  中國古代即有“神農作田,軒轅作燈,唐堯作燈檠,成湯作蠟燭……”之說。相傳在公元前21世紀前的黃帝時已有九個燈盤的九華燈檠。商周時已有銅燈。到漢代,燈有很多形式如高燈、行燈、長檠多盞燈等,燈盤中有的有錐,有的無錐。兩晉以來常見的青瓷燈,下部都設承盤,盤中立一支柱,柱上座一燈盤,也有沒有燈柱、燈盤直接連著承盤的;另一種常見的燈的燈盤下附有三足,質地銅、瓷都有。隋代有青白釉雙龍蓮瓣燈。宋代有用錫做的燈檠,明代有木制的高燈座。明、清兩代出現多種料絲燈,它用類似現在的玻璃原料熔制後拉成絲、膠合成片,並在兩片中夾入圖案後,做成多角形;還出現瞭用牛羊角熔或膠後模壓成半透明的各種圖案的燈,如留存在北京故宮博物院中的這種類型的雙魚吊燈。中國古代的燈多用豹髓、魚脂、軟棗、漆樹、蜂蠟等動植物油制作的蠟燭作燃料,有些燈則直接燃用動植物油。

  分類 現代電氣燈具一般可按使用環境和工作對象分為室內燈、公共照明燈(包括路燈和投光燈等)、工礦燈、應急照明燈、交通燈、水下照明燈、舞臺影視燈和無影手術燈等幾類。此外,燈具還可按其防觸電保護形式、外殼防護等級和照明的類型等進行分類。

  ①按防觸電保護形式,燈具分為:0類燈具,防觸電保護隻依靠基本絕緣;Ⅰ類燈具,是在0類燈具基礎上,將易觸及的導電部件都連結到燈具中的保護接地導體上,使其在基本絕緣失效時不帶電;Ⅱ類燈具,有雙重絕緣或加強絕緣的防觸電保護措施;Ⅲ類燈具,使用有效值不大於50V的超低電源電壓。固定不動和安裝環境較好(木地板、空氣幹燥和徒手不能碰到)的可用0類燈具;可移動的燈不能用0類;在高處或操作不方便的地方要用Ⅰ類或Ⅱ類燈具。

  ②按燈具外殼防固體異物及水的侵入的能力,燈具可分為幾個等級,並用IP××(××為阿拉伯數字)表示。第1個數字表示防固體異物侵入的能力,有0~6共7個等級;第2個數字表示防水侵入的能力,有0~8共9個等級。

  ③按照明的類型(即燈具出射光束的光通量),燈具分為:直接照明型,90~100%的光都向下直接照明工作面;半直接照明型,60~90%的光都向下,其餘的光向上照明天花板和上方墻壁;均勻漫射照明型,上、下出射的光幾乎相等,即40~60%的光直接向上或向下。其中光線在接近水平方向上較少的一類稱直接-間接照明型;半間接照明型,60~90%的光向上發射,其餘的光向下;間接照明型,90~100%的光都向上,靠天花板和墻壁的反射光照明空間。

  功能 早期的火焰燈具,除少數作為航行信號和警戒等特殊用途外,大多數用作照明。近代的電氣燈具,其使用場所已擴展到人類活動的各個領域,對光線的認識和使用已從單純的照明領域進入到光、空間、環境一體化的新領域。

  燈具可以有照明、顯示或效果 3種功能中的任一種。

  照明功能 燈具起著改變光源發出光線在空間分佈、給出需要光分佈的作用。照明功能要求將燈具適當佈置以照明一個區域,使該區域中的照度高於周圍環境,符合一定的照明質量指標。絕大部分燈具均具有照明功能。

  顯示(信號)功能 改變光源發出的光線在空間、時間上的分佈或它的光譜成分,產生閃爍的或有顏色的光線。顯示功能要求燈具能使在給定范圍內的人觀察到一種區別於背景亮度的、有提示作用的光信號。交通信號燈中的機場燈、障礙燈等均有此種功能。

  效果功能 改變光源光線的時間分佈和光譜成分,並改變光束在空間的形狀和位置,產生靜動相結合的效果,創造出特殊的光氣氛。影視、舞臺、舞池的專用燈具具有此類功能。

  結構 燈具除光源外主要由光學部件、機械部件和電氣部件3部分組成。

  光學部件 利用光線在兩類媒質界面上發生反射或折射的原理,改變光源光線在空間或頻率上分佈的部件(圖2)。有反射和透射兩類。前者稱反射器,用鏡面反射或非鏡面反射兩種高反射比材料做成,裝於光源後方。後者有折射器、漫射罩、濾色片和格柵等多種形式,安裝在光源前方的燈具出口面上。折射器是利用光線在透明介質表面產生折射或全反射的現象,控制光線方向和亮度的部件,它用玻璃或塑料做成,表面有許多棱鏡或透鏡;漫射罩用乳白或磨砂的玻璃或塑料做成,用來減弱燈具出光口面的亮度,減少眩光;濾色片用各種顏色的濾色玻璃或塑料做成;格柵是用鋁或塑料做成的表面具有高反射比的正方形或長方形格子,它裝在燈具出光口面上以減少燈具眩光。

  機械部件 包括外殼部件和內外部零件。

  ①外殼部件:用以保護光源和電氣附件免受外界環境(包括外力、雨水、塵、大氣污染、爆炸危險氣體和腐蝕氣體等)的影響,提供燈內各部件安裝位置,保證燈具能長期安全可靠地工作。包括外殼、各種密封圈、保護玻璃和過濾器等零部件。

  ②內外部零件:包括固定和調節燈座位置的系統、調節光束角度的部件、支承和調節燈具光束照射方向的支架和基座等。

  電氣部件 提供光源與電源的可靠連接,保證燈正常啟動和工作的零部件。包括連接電源的電源線、內接線、接線柱、電纜引入口、導線固定架、接地裝置等,以及使光源正常工作的啟動器、鎮流器、燈座等。

  性能 燈具的性能包括光度學性能、機械性能和電氣性能。

  光度學性能 包括燈具光輸出比、光分佈和眩光3個方面。

  ①燈具光輸出比:燈具發出的光通量占燈具內光源發出光通量的百分比。它與設計、選材和表面處理工藝等因素有關。同類型的燈具,光輸出比越高,越能節約電能。此外,燈具光輸出比的維持也是十分重要的,即隨著使用日期的增長,輸出比的下降應十分緩慢,以維持良好的經濟性。

  ②光分佈:燈具發出的光線在空間的分佈。光分佈用燈具某一軸線的各平面上的光強隨角度變化的數值曲線表示,稱為配光曲線(圖3)。用於不同場所的燈具,其光線在空間分佈的對稱性可以不同,有旋轉對稱和非旋轉對稱兩種。不同對稱性的產生與燈具光學系統的設計有關。選擇對稱性類型時應考慮使用場所。例如,在車間內,同一區域可以接收許多燈具發出的光線,故上述兩類光分佈的燈具都能選用;在體育場內,為瞭減少對觀眾和對攝像機的眩光,一般應選用非旋轉對稱光分佈的燈具。

  ③眩光:燈具發光面上刺眼的程度。發光面包括光源發光體及鏡面反射器內壁上的閃光面(指無透光外罩的燈具)和透光罩兩種。前者因亮度大,特別需要控制眩光,通常用改變反射器的沿口大小來限制,並用保護角α(看得到光源發光體端點的一條光線與水平線間的夾角)來表示限制眩光的程度(圖4);後者因采用棱鏡或漫透射性質的外罩,可得到亮度較低的發光面,眩光較小。在許多地方,如講究視功能的辦公室和道路等,對眩光的控制十分嚴格。

  機械性能 燈具內部固定光源和調節光源位置的部件、保養和換燈時外殼可開啟部分的部件、安裝燈具的基座部件和控制光線投射方向的調節部件等的性能。

  一般說來,要求對前兩種部件可以借助工具進行操作,後兩種部件隻應徒手或借助簡單工具操作。對鎖緊部件,應選用耐銹蝕材料;對外露部件,更要考慮它的耐候性和耐受工業大氣污染的問題。

  對外殼密封型燈具,密封圈的材質應不至在受熱和環境影響下迅速老化變硬。

  塑料和玻璃的透明罩,應能耐熱並有一定的耐沖擊強度,特別是戶外使用的玻璃罩還要能承受冷熱劇變而不破裂。

  電氣性能 包括保證電氣安全和維持光源正常工作兩方面。

  電氣安全性能要求:燈具在允許的外界環境和使用條件下不應變得不安全,其防護結構應能承受氣候變化、外力侵入和大氣污染;維護用機構應當維護簡便、拆卸方便和重復性好;有規定的防觸電保護措施;操作部件絕對安全;充分估計到光源產生的熱量對各部件的影響等。

  各電氣部件(鎮流器、啟動器和電容器等)的電參數和絕緣性能應在規定的范圍內,保證光源在一定的電壓波動范圍和溫度變化范圍內正常可靠地工作,做成這些部件的絕緣材料必須符合規定的絕緣等級。

  發展趨勢 ①提高效率:改進光學部件的設計方法,提高材質性能和表面處理工藝,得到高效率的燈具。②塑料化:以耐高溫、價廉、強度好的塑料代替金屬,生產外形漂亮、質輕、高強度的燈具。③功能化:采用照明研究得到的新概念和新的評價方法,指導新燈具的設計工作,達到和滿足新的照明性能指標。