Інженерія освітлення й сигналізації електросамоката: фотометрія (лм / кд / лк / cd/m²), діаграма променя ECE R113, термальна фізика LED, ретрорефлексія RA cd/(lx·m²) і стандарти IEC 60809 / SAE J583+J586+J588 / ECE R148+R149 / EN 17128 §5.5–5.6 / StVZO §67 / FMVSS 108
У статті «Освітлення і сигналізація електросамоката» описано типи світлотехнічних приладів (передня фара від 300 до 2000 лм, задній ліхтар, гальмівне світло, поворотники, світловідбивачі) та регуляторний мінімум (німецький eKFV § 5, європейський EN 17128). У «Нічна їзда на електросамокаті» — поведінкова сторона видимості (biomotion-конфігурація, dark adaptation сітківки, конспікуйне вбрання, маршрутне планування). Цей матеріал — інженерний deep-dive у саму фізику світла: чому люмени не описують яскравість, а кандели — описують; чому конструктор фари рисує не «скільки світла», а карту в полярних координатах з допусками за зонами B50L, 75R, HV; чому LED, який паспортно дає 1000 лм при 25 °C, у реальному корпусі без радіатора видає 600 лм за 30 хвилин і за 8 000 годин падає до 700 лм; і чому ретрорефлектор на щиколотці спрацьовує у 26 разів дальше за такий самий рефлектор на повністю чорному одязі. Це сьома engineering-axis deep-dive (після інженерії захисної екіпіровки, інженерії літій-іонної батареї, інженерії гальмівної системи, інженерії мотора й контролера, інженерії підвіски і інженерії шин) — додає візуальну прев’енцію як активний інженерний субсистем: helmet працює тільки після удару, brake — тільки коли водій вже побачив загрозу, а lighting працює до того, як небезпека стає актуальною, бо забезпечує конспікіті за сотні метрів до зони можливого контакту.
Передумова — розуміння типів освітлювальних приладів, поведінки в темряві та тримання дистанції у тумані й при низькій видимості.
1. Чому фотометрія — окрема дисципліна, а не «радіометрія з префіксом»
Радіометрія вимірює потужність електромагнітного випромінювання (ват на квадратний метр, ват на стерадіан) — це фізична величина, незалежна від спостерігача. Фотометрія вимірює те саме випромінювання, зважене за функцією чутливості людського ока — це біофізична величина, прив’язана до конкретної біології фоторецепторів сітківки. Без цього зважування плутаниця катастрофічна: фара з 10 Вт у далекому інфрачервоному діапазоні (λ = 1400 нм) — це 0 люменів для водія, бо палички й конуси не реагують на цю довжину хвилі.
CIE 1924 photopic luminous efficiency function V(λ) — стандартна крива чутливості ока при яскравому освітленні, нормована до 1 у піку при 555 нм (жовто-зелений). Робота конусів. CIE 1951 scotopic luminous efficiency function V’(λ) — крива при темряві, пік зміщений до 507 нм (зелено-блакитний — феномен Пуркіньє). Робота паличок. Перехід — мезопічний діапазон з люмінансом 0,005 — 5 cd/m². Це фундаментально означає, що фара зі спектральним піком при 580 нм буде здаватися яскравішою вдень, а при 510 нм — вночі, попри однаковий радіометричний потік у ватах.
Luminous flux Φᵥ у люменах (лм) — повна світлова потужність джерела, інтегрована за всіма напрямками і зважена V(λ):
Φᵥ = K_m · ∫ Φ_e(λ) · V(λ) dλ
де K_m = 683 лм/Вт — максимальна спектральна світлова ефективність при 555 нм. Це означає, що теоретичний максимум монохроматичного LED на 555 нм — 683 лм/Вт. Реальний phosphor-converted white LED 2024 року на cool white 6500K — 200–280 лм/Вт (Cree XHP70.3, Lumileds Luxeon TX). Фара електросамоката середнього класу видає 800 лм при споживанні 8–10 Вт = 80–100 лм/Вт ефективність системи (chip + лінза + driver).
Luminous intensity I_v у канделах (кд) — потік на одиницю тілесного кута в заданому напрямку:
I_v = dΦᵥ / dΩ
де dΩ у стерадіанах. Це векторна характеристика — у різних напрямках кандела різна. Кандела — те, що описує промінь: «фара 1000 кд по осі» означає, що один стерадіан з’являється з 1000 лм потоку — але цей потік сконцентровано в одну точку. Та сама фара може мати 0 кд за 90° від осі.
Illuminance E_v у люксах (лк) — потік на одиницю площі поверхні:
E_v = dΦᵥ / dA
1 лк = 1 лм/м². Це характеристика поверхні, що приймає світло, не джерела. Дорога перед самокатом отримує деяку освітленість у люксах від фари; інтенсивна офісна освітленість — 300–500 лк; денне світло на вулиці — 10 000 — 100 000 лк; ніч місячна — 0,1–1 лк; ніч без місяця в селі — 0,001 лк.
Luminance L_v у кд/м² — інтенсивність на одиницю площі джерела (видимої):
L_v = d²Φᵥ / (dA · cosθ · dΩ)
Це яскравість як її відчуває око. Сонце в полудень — 1,6 × 10⁹ кд/м²; ясне небо — 8 000 кд/м²; екран ноутбука — 250 кд/м²; повна Луна — 2 500 кд/м². LED-чип XHP70.3 при максимальному струмі — 50–100 × 10⁶ кд/м² (тому в нього не можна дивитися безпосередньо).
Inverse-square law для точкового джерела:
E = I / d²
Освітленість на дорозі від фари 200 кд при відстані 5 м = 200 / 25 = 8 лк — порівнянно з міським освітленням на тротуарі. На 20 м: 200 / 400 = 0,5 лк — на межі повного мороку. Тому фара 2000 кд (а не 2000 лм) — це 5 лк на 20 м, що вже видно деталі.
Lambertian source — ідеальне дифузне джерело з cosine-розподілом інтенсивності:
I(θ) = I_0 · cosθ
Це білий папір у яскравому світлі (відбиває за Lambertian). Більшість LED-чипів без оптики мають cosine-подібний розподіл по θ. Ізотропне джерело — однакова інтенсивність у всі напрямки (4π стерадіан); ідеалізація для покажчикових ламп.
2. Headlamp beam pattern: чому конструктор рисує карту, а не «скільки лм»
Лампа з 1000 лм без оптики розкидає світло рівномірно — це flood. Половина потоку вгору в небо, чверть на власне колесо, четверть на дорогу. Корисний потік на дорозі: ~250 лм при 100 % розосередженні. Через 20 м освітленість на смузі — мізерна.
Лампа з 1000 лм + оптика, що сконцентровує 80 % потоку у 10° хорошого променя — спот: 800 лм / 0,024 sr = 33 000 кд по осі. На 20 м це 33 000 / 400 = 82 лк, що яскравіше за освітлений тротуар. Але такий промінь засліплює зустрічного: 1,5 м над дорогою, у 25 м поперек, у зустрічного водія в очі — 82 лк просто з вершини капота. Це причина, чому headlamp на автотранспорті завжди має cut-off — різку верхню межу променя.
ECE R113 Rev 3:2014 — Headlamps emitting a symmetrical passing beam. Стандарт UNECE 1958 Agreement, обов’язковий у Європі для двоколісних транспортних засобів (мопеди, мотоцикли) і transitively для PLEV класу M3 в EU. Тестова процедура:
- Фара змонтована на 25 м перед тестовим екраном на стандартній висоті h (зазвичай 1,2 м для двоколісних).
- На екрані відмічені фотометричні зони.
- Фотометр з апертурою 65 мм пересувається по точках сітки.
| Точка | Опис | Вимога інтенсивності |
|---|---|---|
| B50L | 50 м перед, 0,57° вліво | max 0,4 лк (мін засліплення зустрічного) |
| 75R | 75 м перед, 1,09° вправо, 0,57° униз | min 12 лк (освітленість дороги в зоні комфортної видимості) |
| HV | По горизонталі та вертикалі — точка перетину | min 0,7 cd + max 0,7 cd над cut-off |
| 50V | 50 м перед, по вертикальній осі, 0,86° униз | min 6 лк |
| 25L1+25L2 | На відстані 25 м, ±0,52° вліво | min 1,5 лк (бокова видимість) |
| 25R1+25R2 | На відстані 25 м, ±0,52° вправо | min 1,5 лк |
Cut-off line — різка горизонтальна межа між освітленою і неосвітленою зоною. Її якість оцінюють через gradient G:
G = log₁₀(E_above / E_below)
ECE R113 вимагає G ≥ 0,13 при тесті 0,25° над/під cut-off. Це значить, що в перетині 0,5°, освітленість падає в 1,34 рази мінімум. Хороша cut-off line має G > 0,3 (3-кратне падіння). Низькоякісна — G < 0,1, тобто розмитий промінь, що засліплює зустрічного.
Геометрія асиметричного променя. Європейський passing beam (близьке) розкривається асиметрично — у праволистих країнах правий край променя продовжується далі (для освітлення узбіччя і знаків), лівий обрізаний нижче (щоб не сліпити зустрічного). У ліволистих (Велика Британія, Японія) — дзеркальне відображення. ECE R113 має дві версії: «right-hand traffic» і «left-hand traffic».
Що це означає для самоката. Бюджетні LED-фари 200–500 лм без оптики — flood. Преміальні (Apollo Phantom V2 «automotive-grade», NAMI Burn-E 2 з projector-style lens) — спроба наближення до cut-off, але формально не сертифіковані за R113 (немає такої вимоги для PLEV). Проте з технічної точки зору: фара з cut-off дає видимість 75R = 12 лк при 75 м на швидкості 25–30 км/год, що відповідає часу реакції 9 секунд від виявлення до контакту. Flood-фара з тим самим люменажем дає рівномірні 1–2 лк на 75 м — недостатньо для розрізнення перешкоди.
3. LED chip thermal physics: чому 1000 лм паспортно — це 600 лм за 30 хвилин
LED-чип конвертує електричну енергію у світлову з ефективністю 30–55 % (high-power white LED 2024 року). Решта — тепло, що дисипується через корпус. Це принципова інженерна проблема: чим вищий струм через діод, тим вища світлова потужність, і тим вища теплова потужність. Без адекватного відводу тепла junction temperature Tj піднімається — і LED втрачає світловий потік (lumen droop), зміщує колір (chromaticity shift Duv), і деградує прискорено.
Модель тепла як еквівалентна електрична схема. Як в омових ланцюгах I = V / R, у термальних:
ΔT = P_th · R_θ
де P_th — теплова потужність у ватах (W), R_θ — термальний опір (K/W). Загальний опір від кристала до навколишнього повітря — сума:
R_θja = R_θjc + R_θcb + R_θba
| Шар | Типовий R_θ | Що визначає |
|---|---|---|
| R_θjc (junction-to-case) | 5–15 K/W | Архітектура чипа: silicon substrate, ceramic submount, internal die-attach |
| R_θcb (case-to-board) | 1–5 K/W | Solder paste, PCB material (MCPCB > FR4 у 30–50 разів за теплопровідність) |
| R_θba (board-to-ambient) | 10–30 K/W | Площа і конструкція радіатора, природна vs форсована конвекція |
Для high-power LED 10 Вт без радіатора (тільки на FR4 без heatsink): P_th = 10 × 0,6 = 6 Вт теплової; R_θja ≈ 50–80 K/W; ΔT = 6 × 60 = 360 °C. Зрозуміло, такий чип сгорить за хвилини. З MCPCB і алюмінієвим радіатором 50 см² пасивно: R_θja ≈ 8–12 K/W; ΔT = 6 × 10 = 60 °C; Tj = 25 + 60 = 85 °C — у безпечному діапазоні (типовий Tj_max = 125–150 °C для high-power LED).
Lumen droop. Світловий вихід LED спадає з ростом температури за приблизно:
Φᵥ(Tj) = Φᵥ(Tj_ref) · [1 − α · (Tj − Tj_ref)]
де α — температурний коефіцієнт (1/K), типове значення 0,002–0,004 для white phosphor LED (тобто 0,2–0,4 % втрати на градус). Для нагрівання з 25 до 85 °C: Δ60 °C × 0,3 %/K = 18 % втрата люменів. Тобто паспортна 1000 лм при 25 °C стає 820 лм в гарячому стані. Без радіатора (Tj 130 °C): 1000 × (1 − 0,003 × 105) = 685 лм.
Chromaticity shift Duv. Phosphor-converted white LED робить «біле» з blue chip + жовтий фосфор (Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ — YAG:Ce). Phosphor поглинає blue (450 нм) і вилучає broadband yellow (550–650 нм); комбінація дає white. При високих Tj > 105 °C фосфор деградує (нерівномірно, оскільки YAG:Ce має температурно-залежне квантове виходу), і світло зміщується у синій (Duv > 0 у негативному напрямку від Planckian locus). Видно неозброєним оком як «холодніший» відтінок. У ECE R113 + R148 існують допустимі межі chromaticity згідно CIE 1931 xy chromaticity diagram — біле має лежати у box 0,310 < x < 0,500 та 0,300 < y < 0,440 (warm white) або 0,260 < x < 0,360 (cool white).
IES TM-21-19 + TM-28-22 — lumen maintenance lifetime. Спрощено: довговічність LED — не «вигоряє за раз», а поступово знижується люменаж. Lifetime характеризують L70, L80, L90 — час у годинах, після якого світловий потік падає до 70 / 80 / 90 % від початкового.
LM-80-08 — стандарт IES для тестування LED на 6 000 годин при кількох Tj (зазвичай 55 °C, 85 °C, 105 °C). TM-21-19 — метод екстраполяції результатів LM-80 за допомогою expoнентного закону:
Φᵥ(t) = B · exp(−α · t)
де α залежить від Tj за Arrhenius equation:
α(Tj) = A · exp(−E_a / kT)
E_a — енергія активації деградації (eV, типове 0,4–0,9 для YAG phosphor); k — стала Больцмана 8,617 × 10⁻⁵ eV/K; T — Tj у Кельвінах. TM-21 обмежує екстраполяцію до 6× часу тесту (тобто 36 000 годин з 6 000-годинного тесту) — далі прогноз ненадійний.
Типове L70 для high-power LED:
| Tj | L70 |
|---|---|
| 55 °C | 60 000+ годин (TM-21 limit 36 000) |
| 85 °C | 30 000–50 000 годин |
| 105 °C | 15 000–25 000 годин |
| 125 °C | 5 000–10 000 годин |
Для самоката, який катається 1 годину в день, 30 000 годин = 82 роки — нерелевантно. Але якщо фара пасивно охолоджується тільки повітряним потоком, при стоянці Tj може досягати 110 °C, тоді L70 = 20 000 годин = 55 років, але L80 = 8 000–12 000 годин = 22–33 роки. Тобто 5-річний самокат — це 1 800 годин — фара має зберігати ≥ 90 % світлового виходу. Якщо ні — це не «вигоріла лампа», це непродумана термалка корпуса.
4. Optical design: reflector, projector, TIR — три фундаментальні архітектури
LED-чип сам по собі має cosine-розподіл інтенсивності (Lambertian). Щоб зробити з нього корисний промінь, потрібна оптика.
Reflector (параболічний). Кристал розміщений у фокусі параболічного дзеркала; усе світло, що йде з фокуса, відбивається паралельно осі (формально — для точкового джерела). Реальний LED-чип не точкова — типовий 1 × 1 мм або 1 × 3 мм. Це створює finite source size, який розмиває паралельний промінь. Кут розкриву пучка α ≈ d_chip / f (де f — focal length параболи). Для f = 30 мм і d = 1 мм: α ≈ 1,9°. Достатньо для headlight; не достатньо для laser-pointer.
Reflector — найдешевший і найефективніший варіант (95–98 % optical efficiency для металізованого алюмінію), але cut-off line розмита. Тому використовується у бюджетних фарах і допоміжних світлах.
Projector (lens with cut-off shield). Архітектура з трьох частин:
- LED + первинна optic (concentrating).
- Cut-off shield — фізична металева пластина у фокальній площині лінзи, що блокує верхню половину променя.
- Aspherical lens — фокусує промінь на дорогу.
Cut-off shield створює різку межу — як край світлового пятна на стіні від ліхтарика з прорізом. Це фундаментальний принцип «нерізкий світло-тіньовий перехід» у автомобільних headlamp після переходу на projector-style у 1990-х (BMW Series 7 1986 — перша масова). Optical efficiency 70–85 % (втрати на shield + lens absorption + лінза surfaces). Дорого, важко, але дає gradient G > 0,4 і чіткий 75R / B50L compliance.
TIR (Total Internal Reflection) lens. Архітектура полімерної лінзи з повною внутрішньою рефлексією на бічних поверхнях. LED-чип «прихований» у малу камеру; світло виходить через дві поверхні — пряму refraction крізь center (звичайна лінза) і TIR reflection від кільцевої бічної поверхні. Це збирання всіх 180° від чипа в один колімований промінь без втрат на дзеркалі.
TIR-лінзи зазвичай полікарбонатні (n = 1,586 при 588 нм), бо PC має кращу термостійкість (HDT 130–140 °C) і дешевший за PMMA. PMMA (n = 1,491) — кращий optical clarity, але термостійкість 80–95 °C; погано працює близько до hot LED.
Критичний кут TIR для пари полікарбонат/повітря: sin θ_c = 1/n = 1/1,586 = 0,631 → θ_c = 39,1°. Тобто все, що падає на бічну поверхню під кутом > 39,1° до нормалі — повністю відбивається. Це геометрично проектують у CAD.
Optical efficiency комплексного оптичного тракту:
η_o = Φ_out / Φ_chip
| Тип оптики | η_o |
|---|---|
| Параболічний reflector, alum | 0,90–0,95 |
| TIR-лінза полікарбонат | 0,80–0,90 |
| Projector з shield | 0,70–0,85 |
| Flood (no optic) | 0,40–0,60 |
UV photodegradation полікарбонату. Polycarbonate (bisphenol-A polycarbonate) має ester linkages (карбонатні групи −O−CO−O−), які піддаються photolysis при UV-випромінюванні з λ < 320 нм:
E_UV = hc / λ = (6,626 × 10⁻³⁴ Дж·с × 3 × 10⁸ м/с) / (300 × 10⁻⁹ м) = 6,6 × 10⁻¹⁹ Дж = 4,1 еВ
Ця енергія перевищує енергію зв’язку C−O ester linkage (~3,4 еВ). Внаслідок — поступове пожовтіння і помутніння. На прямому сонці без UV-стабілізатора (Tinuvin або Cyasorb) — 5–7 років до помітного yellowing. З UV-стабілізатором + hardcoat surface (acrylic siloxane) — 15–20 років.
Прозорість самокатної фари після 3–5 років експлуатації — це показник якості lens material. Полікарбонат економ-класу без stabilizer і hardcoat жовтіє за 2–3 роки. У дешевих самокатах це проявляється як «затемнення» фари — насправді лінза стала фільтром для синього (Rayleigh-like wavelength-dependent attenuation).
5. Retroreflectivity: фізика, яка робить пасивні маркери у 26 разів ефективнішими
Звичайний дифузний відбивач (білий папір) відбиває падаюче світло у напівсферу — приблизно за законом Ламберта. З 1 лк падаючого світла лише ~0,3 лк/sr повертається у напрямку джерела (бо потужність ділиться між π sr). На відстані 50 м від водія, який світить фарою 50 кд: освітленість на одязі = 50 / 50² = 0,02 лк. Відбита у напрямку фари = 0,02 / π = 0,006 кд/м². Око водія цього не побачить.
Ретрорефлектор працює інакше — він направляє світло точно назад до джерела, незалежно від кута падіння (у певних межах). Це дає гігантський gain у напрямку джерела за рахунок повної відсутності світла в інших напрямках.
Два механізми ретрорефлексії:
(а) Glass-bead retroreflector. Скляна сфера (n = 1,9–2,1 для barium titanate glass) — дві refraction surfaces + одне внутрішнє відбиття. Світло заходить через передню поверхню, фокусується на задню (хвилі сходяться у фокусі за параксіальною оптикою — focal length f = R · n/(2(n−1)) = R · 0,90 для n = 2,0 — це approximate fokus на задньому полюсі сфери). Дзеркальне покриття на задньому боці відбиває; на виході знову заломлення в зворотному напрямку. Сітка з мільйонів таких бусинок (типовий діаметр 30–80 мкм) на тканині або плівці — це 3M Scotchlite Glass Bead (1939, 3M Corporation).
Ефективність — ~30–50 % at observation angle 0°; різко падає при > 5° (бо фокус зміщується від back focal point). Дешево, гнучко, миється.
(б) Micro-prismatic retroreflector. Тригонна піраміда (corner cube) з повним внутрішнім відбиттям на трьох ортогональних гранях. Падаюче світло послідовно відбивається від трьох поверхонь і виходить точно назад (закон трикратного відбиття від трьох ортогональних дзеркал). Це 3M Diamond Grade, Avery Dennison T-Series.
Theoretically 100 % efficiency. Працює у ширшому діапазоні entrance angles (до ±30°). Дорожче, твердіше (полікарбонат або акрил), не миється так легко (брудяться у мікроканавки). Дорожні знаки — micro-prismatic; высоковидимий одяг — переважно glass-bead на більшій поверхні + prismatic patches на високопромінних зонах.
Coefficient of retroreflection R_A у cd/(lx·m²) — фундаментальна характеристика. Визначення (CIE 54.2-2001):
R_A = I_r / (E_n · A)
де I_r — інтенсивність ретровідбитого світла; E_n — освітленість на поверхні; A — площа. Геометрія тесту:
- Observation angle α — між напрямком джерела і напрямком спостерігача (тобто водій і його фара). Типові тестові значення: 0,2°, 0,33°, 1°.
- Entrance angle β — між напрямком падіння і нормаллю до поверхні. Тестові значення: ±5°, ±30°.
| Матеріал | R_A (cd/(lx·m²)) at α=0,2°, β=5° |
|---|---|
| Білий папір (дифузний) | 0,01–0,1 |
| Білий пластик | 0,1–0,5 |
| Glass-bead Scotchlite (EN 471 class 1) | 100–300 |
| Glass-bead Scotchlite (EN 471 class 2) | 330 |
| Glass-bead Scotchlite (EN 471 class 3) | 500 |
| Micro-prismatic 3M Diamond Grade | 800–1000 |
| Дорожні знаки (high-intensity prismatic) | 1000–2500 |
ASTM E810-22 — стандартний метод вимірювання RA з portable retroreflectometer (3M, Delta, Zehntner). ASTM E811 — hand-held інструменти. EN 471:2003 + EN ISO 20471:2013 — high-visibility одяг з трьома класами вимог:
- Class 1 — мінімальний (фоновий матеріал ≥ 0,14 м², ретроматеріал ≥ 0,1 м²).
- Class 2 — стандартний для робітників (0,5 м² + 0,13 м²).
- Class 3 — максимальний (0,8 м² + 0,2 м²).
Біомоушн ефект. Wood et al. (Queensland University of Technology, 2010s — серія робіт) показали: однакова площа ретроматеріалу на ankles, knees, wrists (де рухаються кінцівки) дає у 3× довшу дистанцію виявлення проти такої самої площі на тілі (жилет). А проти повністю чорного одягу — у 26× довшу. Це не оптика, це психофізика розпізнавання: рухомі точки в нижніх частинах поля зору тригерять у мозку водія «це людина, що йде/їде», тоді як статичні горизонтальні смуги на тулубі читаються як «дорожній знак» і ігноруються. Один з найкорисніших висновків для нічного безпеки самокатчика: не «жилет», а ретрострічки на щиколотках і колінах + долонях.
6. Photometric specifications для сигнальних ламп: stop, turn, position
Стоп-сигнал, поворотник і позиційний (parking) ліхтар — це детектабельні прилади. Їх задача — не освітлювати дорогу, а бути видимими в широкому куті від водія, який знаходиться позаду / з боку. Тому критерії інші: широка діаграма (60–90° повний кут), високий contrast ratio, точно прописаний колір.
SAE J586 — Stop Lamps for Use on Motor Vehicles Less Than 2032 mm in Overall Width. SAE — добровільний стандарт США, фактично обов’язковий через посилання у FMVSS 108 49 CFR § 571.108. Вимоги:
| Параметр | Значення |
|---|---|
| Mінімальна центральна інтенсивність | 80 cd |
| Mаксимальна центральна інтенсивність | 300 cd |
| Кут видимості | ≥ 20° H × 10° V вгору / 5° V вниз |
| Колір | red (CIE 1931 dominant wavelength 610–660 нм) |
| Ramp-up time | < 100 мс |
SAE J588 — Turn Signal Lamps for Use on Motor Vehicles Less Than 2032 mm in Overall Width. Передні vs задні поворотники мають різні вимоги через різний фон:
| Параметр | Передній (front) | Задній (rear) |
|---|---|---|
| Мінімум центрально | 80 cd | 50 cd |
| Максимум центрально | 700 cd | 350 cd |
| Колір | amber (590 нм) | red або amber |
| Flash rate | 60–120/min | 60–120/min |
| Duty cycle | 30–75 % on | 30–75 % on |
Передні поворотники яскравіші, бо конкурують з передніми фарами і денним сонячним фоном. Задні — на чорній/темній задній поверхні, тому контраст уже високий.
ECE R6 — Direction Indicators for Power-Driven Vehicles and Their Trailers. Європейський аналог J588 з категоріями 1, 1a, 1b (передній 175–700 cd), 2 (задній 50–500 cd), 2a (відведений 0,3–28,5 cd). Зміна полярних угол: ECE дозволяє ширший вертикальний sector (15° H × 15° V).
ECE R7 — Position, Stop, End-Outline Lamps. Об’єднаний стандарт для габаритних, стоп- і контурних ліхтарів. Колір позиційного — red ззаду, white спереду (для авто), red ззаду (для двоколісних — велосипед, мотоцикл). Стоп — red, 60 cd мін центрально, 18 cd на ±45°. Габаритний — 4 cd мін.
IEC 60809:2015 — Lamps for Road Vehicles. Технічний стандарт для самих ламп (а не повних світлових систем). Визначає електричні характеристики, geometric tolerances, fail-safe вимоги для filament + LED retrofit. Flash rate 60–120/min ±5 % deviation per cycle — це звідси.
Що це означає для самоката. Більшість самокатів не сертифіковані за SAE / ECE — навіть преміальні (Apollo Phantom, NAMI). Це не означає «погана сигналізація», це означає, що інженер довіряється на власне judgment. У результаті — широкий розкид: стоп-лампа NAMI Burn-E 2 — 80–120 cd (відповідає J586 minimum), стоп-лампа Xiaomi M365 — < 30 cd (не відповідає жодному стандарту, але візуально помітна на близькій дистанції). Поворотники у бюджеті часто < 50 cd і непомітні вдень. Це інженерна вада, а не «фіча відсутності бренду».
7. Аudible signaling: дБ(A), частотний спектр, EN 17128 § 5.6
Звуковий сигнал (клаксон, дзвінок) — це інша осі сигналізації, але регулюється тим самим документом (EN 17128 § 5.6 для PLEV). Інженерна фізика:
Sound pressure level Lp у дБ(A). Логарифмічна шкала з опорою:
Lp = 20 · log₁₀(p / p_ref)
де p_ref = 20 μPa (поріг чутності людини при 1 кГц). Звукова хвиля з амплітудою 0,2 Па = 80 дБ (звичайний автомобільний клаксон). Хвиля 6,3 Па = 110 дБ (поліцейська сирена близько). Чим вище — тим краще чутно, але вище 120 дБ — pain threshold.
A-weighting curve. Поправка для приведення до сприйняття людським вухом. Логарифмічно атенюйтриває низькі (< 500 Гц) і високі (> 5 кГц) частоти. Базуєтеся на equal-loudness contours Fletcher-Munson 1933, оновлених Robinson-Dadson 1956 і фіналізованих у ISO 226:2023 Acoustics — Normal equal-loudness-level contours.
Це фундаментально: 100 дБ при 50 Гц і 100 дБ при 2 кГц звучать як абсолютно різна гучність. A-weighting нормалізує, переводячи фізичний рівень у «суб’єктивний», який добре корелює з гучністю до приблизно 80 дБ.
EN 17128:2020 § 5.6 — Audible warning device. Вимога для PLEV:
| Параметр | Значення |
|---|---|
| Мінімальний рівень | 70 дБ(A) @ 2 м |
| Спектральний пік | 1–4 кГц (зона максимальної чутливості людського вуха) |
| Тривалість натискання | ≥ 1 с до повного звуку |
| Активація | механічна (кнопка/важіль), не голосовий контроль |
70 дБ — це приблизно гучний пилосос або середній фен. Достатньо, щоб попередити пішохода за 5–10 м, але недостатньо для глухого пасажира з навушниками.
Piezo speaker — найпоширеніша архітектура electronic horn на самокаті. Складається з керамічного диска (PZT — lead zirconate titanate, або lead-free аналог BaTiO₃) на металевому диску. При AC напрузі диск згинається, генеруючи звукову хвилю.
Resonant frequency f_r piezo speaker — частота, при якій елемент має максимальний акустичний вихід при мінімальному електричному вході. Описується RLC equivalent circuit з resonance:
f_r = 1 / (2π · √(L·C))
де L — еквівалентна індуктивність (механічна маса), C — еквівалентна ємність (механічна piezo-електрична жорсткість). Для типового piezo buzzer 20 мм диск — f_r = 2,5–4 кГц. Це сприятливий діапазон: збігається з піком A-weighting і піком цементної чутливості людського вуха (близько 2–4 кГц).
Mechanical bell vs electronic horn. Класичний велосипедний дзвоник (Knog Oi, Spurcycle) — резонатор з литої сталі, що видає 80–95 дБ при ударі. Спектр — broadband (200 Гц до 5 кГц) з кількома піками. Перевага — пасивний (без батареї), failure-mode — корозія резонатора. Електронний — активний (потрібен charge), failure-mode — електронна несправність. Для PLEV обидва прийнятні, якщо досягають 70 дБ.
8. Біль на дорозі: matrix engineering ↔ симптом
Інженерна теорія перевіряється у точці, де водій помічає щось не так. Найчастіші симптоми і їх інженерні причини:
| Симптом | Інженерна причина | Підсистема |
|---|---|---|
| Фара тьмяніше після 30 хв роботи | Tj > 100 °C через слабкий heatsink → lumen droop | Термалка LED |
| Колір фари «змінюється» з білого на синій | Phosphor degradation при Tj > 105 °C → Duv shift | Термалка LED |
| Промінь має «розмиту» верхню межу | Низька якість оптики, відсутній cut-off shield | Оптика |
| Фара жовтіє за 2–3 роки | UV degradation полікарбонату без stabilizer/hardcoat | Матеріал лінзи |
| Поворотник майже невидимий вдень | Інтенсивність < 80 cd (нижче SAE J588 min) | Photometric design |
| Стоп-лампа не «вистрілює» (slow ramp) | Driver electronic delay > 100 мс | LED driver |
| Ретрорефлектор «мертвий» — не повертає світло | Забруднення / podevided за UV / mechanical damage | Retroreflector cleanliness |
| Клаксон тихіший за фон | Piezo speaker resonant detuning або < 70 дБ design | Audio acoustics |
| Поворотник мигає неправильною швидкістю | Flash rate не у вікні 60–120/min | Controller logic |
| Cut-off line «зустрічного засліплює» | B50L > 0,4 лк — фара не сертифікована за R113 | Beam shaping |
| Фара тьмяніє в холоді (зима) | Battery cold-temperature voltage drop → driver under-volts | Power supply chain |
Кожен з цих симптомів має конкретне інженерне вирішення; жоден не вирішується «купити дорожчий ліхтарик».
9. Стандарти: повна порівняльна матриця 14 документів
Освітлення і сигналізація — одна з найрегульованіших ділянок дорожнього транспорту, з паралельними системами USA / ECE / EU / National. PLEV (Personal Light Electric Vehicles) — нещодавня категорія, частково покрита через адаптацію існуючих стандартів.
| Стандарт | Юрисдикція | Сфера | Ключові вимоги для самоката |
|---|---|---|---|
| IEC 60809:2015 + amendments | Глобально (IEC) | Лампи для дорожніх ТЗ | Electrical specs, geometric tolerances, fail-safe, flash rate 60–120/min ±5 % |
| SAE J583 | USA | Front Fog Lamp | Бокова фара з широким променем, max intensity 12 000 cd |
| SAE J586 | USA | Stop Lamps | 80 cd мін центрально / 300 cd max, ramp < 100 мс |
| SAE J588 | USA | Turn Signal Lamps | Front 80–700 cd / rear 50–350 cd, 60–120/min flash, 30–75 % duty |
| ECE R113 Rev 3:2014 | UNECE 1958 (≈ 60 country) | Симетричний passing beam | Photometric zones B50L 0,4 лк max / 75R 12 лк min / HV 0,7 cd / gradient G ≥ 0,13 |
| ECE R148:2023 | UNECE 1958 | Consolidated signal lamps | Об’єднує R6 + R7 + R23 + R38 + R50 + R77 + R87 + R91 у єдиний документ |
| ECE R149:2023 | UNECE 1958 | Consolidated road illumination | Об’єднує R8 + R19 + R20 + R31 + R37 + R98 + R99 + R112 + R113 + R123 |
| ECE R6 | UNECE 1958 | Direction Indicators | Front 175–700 cd, rear 50–500 cd, 60–120/min |
| ECE R7 | UNECE 1958 | Position+Stop+End-Outline | Stop 60 cd center, 18 cd at ±45° |
| EN 17128:2020 § 5.5 + § 5.6 | EU (CEN) | PLEV — Personal Light Electric Vehicles | § 5.5 reflectors front+side+rear обов’язкові, § 5.6 audible 70 дБ(A) @ 2 м |
| FMVSS 108 49 CFR § 571.108 | USA Federal | Lamps, Reflective Devices and Associated Equipment | Посилання на SAE J586/J588/J583; reflectors per SAE J594 |
| StVZO § 67 | Німеччина (BMV) | Road Traffic Licensing Regulations | Обов’язковий передній white headlamp + задній red taillight + reflector for bicycles+PLEV |
| eKFV § 5 | Німеччина | Elektrokleinstfahrzeuge | Specific to e-scooter — § 5 Abs. 1 lights, § 5 Abs. 2 bell, integrated taillight+reflector allowed |
| CIE 54.2-2001 | Глобально (CIE) | Retroreflection — Definition and Specification | R_A coefficient у cd/(lx·m²), observation angles α=0,2°/0,33°/1°, entrance β=±5°/±30° |
Що це означає для покупця. Жоден з масових самокатів не має повного compliance з усіма стандартами одночасно. Apollo Phantom, NAMI, Dualtron Storm — мають свідчення про відповідність EN 17128 § 5.5 + 5.6 (reflectors + bell), часто без формального R113 (cut-off line). Бюджетні Xiaomi, NIU, Segway — переважно тільки eKFV § 5 minimum (фара + ліхтар). Дешеві noname моделі — без формальних свідчень. Серйозний індикатор якості — наявність позначки e-Mark на корпусі фари (свідчення R113 / R148 compliance) або DOT (для FMVSS 108). Це не маркетинг, це juridictional gateway.
10. Синтез: освітлення як активна прев’енція, а не пасивний аксесуар
Сім інженерних субсистем розглянуто в серії deep-dive: захисна екіпіровка (helmet — пасивний поглинач удару після контакту), батарея (джерело енергії), гальмо (реактивна диссипація кінетичної енергії після виявлення небезпеки), мотор (перетворення електричної в кінетичну), підвіска (ізоляція вібрації), шина (контакт з дорогою), і тепер освітлення (превентивна сигнальна система до контакту).
Helmet ефективний у вікні 0,1 секунди після удару. Brake ефективний у вікні 1–3 секунди після виявлення загрози. Lighting ефективний у вікні до того, як небезпека стає актуальною — за рахунок того, що інший учасник руху помітив самокатчика на 200–300 метрів і встиг скоригувати траєкторію або швидкість. Це фундаментальна різниця в горизонті дії: helmet — реактивний; brake — реактивний; lighting — проактивний.
Інженерна якість освітлення зводиться до п’яти параметрів, які тепер варто перевіряти при виборі апарата і коректно інтерпретувати з паспортних специфікацій:
- Люмени фари — це повна потужність, не яскравість. Слід уточнювати у виробника candela на осі (типове співвідношення 30–50 кд на 1 лм для headlight з хорошою оптикою — спот 200 кд на 1000 лм фару це низько).
- Cut-off line якість — паспортно не вказується, але e-Mark або DOT позначка свідчить про compliance з ECE R113 / FMVSS 108.
- Lifetime LED (L70) — паспортно є рідко; критерій — наявність MCPCB + видимий heatsink і не локалізація фари у пилозбірних кишенях корпуса (де Tj вище).
- Retroreflector class на самокаті — формально EN 17128 § 5.5 вимагає reflector з мінімальним RA, але без явного класу.
- Audible level — паспортно вказується рідко (типова формулювання «horn / bell»); тестується суб’єктивно — гучність на 2 метрах має бути «однозначно чути».
Це повний цикл інженерних осей субсистем — самокат як інтегральна система прев’енції (освітлення), управління (мотор + гальмо + підвіска + шини, захисту (helmet) і енергозабезпечення (батарея). Усе разом працює як ланцюг; найслабший елемент визначає загальну надійність.
8-точковий recap
- Фотометрія — це радіометрія, зважена за CIE 1924 V(λ) photopic і 1951 V’(λ) scotopic functions з K_m = 683 лм/Вт пік-чутливості при 555 нм; інверс-квадрат E = I / d² для точкового джерела; Lambertian I = I_0 · cosθ для дифузного.
- Lumens vs candela vs lux vs cd/m² — повна потужність vs векторна інтенсивність vs освітленість поверхні vs яскравість, як її відчуває око; флешлайт 1000 лм без оптики дає мізерні 1–2 лк на 20 м.
- ECE R113 photometric zones — B50L 0,4 лк max (засліплення зустрічного), 75R 12 лк min (видимість дороги), HV 0,7 cd, cut-off gradient G ≥ 0,13 за G = log₁₀(E_above / E_below).
- Термальна фізика LED: Tj = Ta + P_th · R_θja з R_θjc 5–15 K/W + R_θcb 1–5 + R_θba 10–30; lumen droop 0,2–0,4 %/K → 18 % втрата на ΔT 60 °C; IES TM-21 L70 lifetime через Arrhenius exp(−E_a/kT) — типове L70 = 30 000–50 000 годин при Tj 85 °C.
- Optical efficiency η_o: reflector parabolic 90–95 % > TIR полікарбонат 80–90 % > projector з shield 70–85 % > flood 40–60 %; UV photodegradation полікарбонату через E_UV = 4,1 eV при 300 нм > C−O ester bond 3,4 eV → 5–7 років до yellowing.
- Ретрорефлексія: R_A coefficient у cd/(lx·m²) за CIE 54.2-2001 з α (observation) і β (entrance) геометрією; glass-bead 100–500 vs micro-prismatic 800–1000+; біомоушн ефект (Wood et al.) — ретрострічки на ankle/knee/wrist у 3× ефективніші за жилет.
- Сигнальні лампи: SAE J586 stop 80–300 cd / J588 turn 80–700 cd front, 50–350 cd rear / ECE R6 direction 175–700 cd front, 50–500 cd rear / IEC 60809 flash rate 60–120/min; audible EN 17128 § 5.6 ≥ 70 dB(A) @ 2 m спектральний пік 1–4 кГц.
- Стандарти: IEC 60809 / SAE J583+J586+J588 / ECE R113+R148+R149+R6+R7 / EN 17128 § 5.5+5.6 / FMVSS 108 / StVZO § 67 / eKFV § 5 / CIE 54.2 / EN 471+EN ISO 20471 / EN 13356 — повна матриця 14 документів; e-Mark та DOT позначки на корпусі — найшвидший індикатор compliance.
Лампа на самокаті — не аксесуар; це активна прев’енція, що працює у вікні до контакту і визначається не маркетинговими «лм», а конкретними інженерними параметрами cd-розподілу, термалки чипа і якості оптики.