воскресенье, 17 июня 2018 г.

Светотехника, фары для динамовтулки.

Продолжим цикл статей про велоэлектронику. Предыдущие статьи можно почитать по ссылкам:

Втулка, фара и конвертер - всё на булочке с кунжутом. Зачем байкпакеру динамо-втулка.

Динамо-втулка для велосипеда: принцип действия, конструкция, характеристики.

В качестве иллюстраций я использую слайды моей несостоявшейся презентации на легкоходном слёте. Во время подготовки к слёту я решил остроумно освежить презентацию протухшим мемасиком. Потом я долго пытался обосновать почему так важно знать светотехнические понятия и уметь правильно их использовать. И надо было это тоже в форме шуточки подать. Но моего остроумия на такое уже не хватило. И я просто признаюсь вам: когда кто-то путает люмены с люксами, или исчисляет эффективность светодиодов в канделах, мне становится больно. За отечество, за сограждан. Надеюсь, моя статья поможет улучшить ситуацию хотя бы чуть-чуть.



Светотехника  та область знаний, на которую человек не обращает внимание. Ночью видно вход в подъезд  хорошо. Не видно  потерпим. Вопросы, как работает человеческий глаз, как сравнивать между собой световые приборы, какие понятия и величины существуют для этого  возникают только у самых пытливых. Даже на специальных интернет-форумах любителей китайских фонариков, где люди ловко жонглируют люменами и люменнаваттами, не все понимают, что стоит за этими величинами. А меж тем, человек современный, культурный, человек энциклопедических знаний, ну, читатель моего блога, в общем,  просто обязан знать такие вещи и сеять зерно просвещения среди своих друзей и детей.

Изучение светотехники следует начать с вопроса: "Зачем нужны специальные понятия, почему нельзя было пользоваться ваттами, джоулями и прочими килограммами на метры квадратные?"

Потому что в отличие от физики, где рассматривается поведение систем вообще, в светотехнике есть совершенно конкретный потребитель внутри этой системы человечек. Фара или светильник производят свет. Свет попадает на сетчатку глаза, преобразуется в электрические сигналы, которые затем обрабатываются мозгом, в результате человек испытывает то, что называется "зрительное восприятие". Поскольку конечным потребителем света будет зрительная система человека, на её особенности завязаны все светотехнические понятия.




В основе всей системы световых величин и единиц лежит кривая спектральной чувствительности человеческого глаза. Кривая отражает особенность человеческого зрения из-за которой чувствительность глаза к излучению разных цветов разная. Если взять излучения пяти различных цветов но одинаковой мощности, их светлота будет разной. Наиболее светлым будет жёлто-зелёный, синий и красный будут наиболее тёмными. Максимум чувствительности приходится на длину волны 555 нм в жёлто-зелёной области спектра. Легко запомнить: как портвейн три топора, только с пятёрками. Если света мало, например в сумерки, то кривая чувствительности сдвигается в сторону синих цветов, потому что меняется механизм формирования электрических сигналов в сетчатке.



Если есть источник оптического излучения, то от него распространяется излучение, у этого излучения есть спектр и мощность. Вот спектр излучения лампы накаливания. Большая его часть находится инфракрасной области оптического излучения и нами не воспринимается как свет. Световой поток  это часть общей мощности излучения, которую мы воспринимаем как свет, и завязана она на кривую чувствительности. Очень грубо говоря - это та часть спектра и мощности общего излучения, которая влезла под кривую чувствительности человеческого глаза. Измеряется эта часть не в Ваттах, как это принято для мощности, а в специальных величинах  люменах. Люмен — не фамилия, пишется со строчной буквы. Численно 1 люмен равен одной шестьсот восемьдесят третьей 1 Ватта мощности монохроматического источника излучения с длиной волны 555 нм. Спектр такого источника был бы узкой полоской на этой длине волны. Чем больше световой поток, тем более светлым кажется нам источник света.


Для сравнения световые потоки свечи, лампы накаливания и солнца. Можно вспомнить свои ощущения при рассматривании каждого из этих источников.


Световой поток показывает, сколько мощности источник выдаёт во все направления. Просто в цифрах. Но не показывает, как эта мощность распределяется в пространстве. Возьмём в каком-нибудь направлении телесный угол. Это пространство, которое ограничено коническим куском сферы c радиусом R и поверхностью сферы площадью S. Сила света показывает, сколько светового потока сосредоточено в этом телесном угле. Измеряется в канделах. Название завязано на свечку, как вы верно догадались. Средняя свеча даёт световой поток один люмен в телесный угол один стерадиан, что равняется силе света в одну канделу.


Сила света говорит о плотности светового потока в пространстве. Если рассечь источник света плоскостью и отложить на ней значения силы света в каждом направлении, мы увидим, что плотность и световой поток распределены неравномерно. Куда-то светового потока направлено больше, а в одну сторону свет блокируется цоколем лампочки и сила света в этом направлении маленькая или равна нулю. Кривая силы света помогает понять, как распределяется световой поток в плоскости сечения. Для удобства восприятия такую кривую строят обычно в полярных координатах.



Если рассекать источник света разными плоскостями, а потом через все значения силы света в каждом направлении провести поверхность, получим распределение светового потока в объёме. 
Или, как принято говорить, — фотометрическое тело.

Распределение света в пространстве — это хорошо, но ведь источник света всегда что-то освещает. Поверхность или объект. Чтобы характеризовать, насколько освещена поверхность, вводится ещё одна величина — освещённость. Она показывает, какой световой поток приходится на освещаемую площадь. Измеряется в люксах. Да-да, тоже с маленькой буквы, и тоже — не фамилия. Освещённость показывает, какая часть светового потока, какое количество люменов, упало на освещаемую поверхность.

Итак, подводя итог: видимая глазу мощность излучения — это световой поток в люменах; распределение светового потока в пространстве — это сила света в канделах, кривая силы света, фотометрическое тело; какое количество светового потока приходится на освещаемую площадь — это освещённость в люксах.

Теперь перейдём от общих понятий к практическим соображениям по поводу велофар. Я уже несколько раз писал, что сам по себе световой поток и его величина — это не единственный показатель качества. Да, по нему удобно сравнивать фары друг с другом. Но опираться только на циферки светового потока нельзя. Световой поток — это мощность, которая есть в распоряжении. А уж от того, как этой мощностью распорядился производитель и как распределил её в пространстве, будет зависеть удобство использования и области применения фары.


Как пример: один и тот же световой поток в 1000 лм можно сконцентрировать в узком пучке и получить на пятачке в 1 квадратный метр освещённость 1000 лк. А можно размазать тот же поток по площади в 10 раз больше. Получится 100 лк, да, зато освещается большее пространство. Кому что надо, то и выберет. А при этом световой поток у светильников одинаковый.

Этот пример иллюстрирует два основных типа велосипедных фар, которые можно сейчас встретить. Разделение на два типа, конечно, очень условное, но оно есть.

К первому типу, где весь световой поток концентрируется в узком пучке вдоль оси симметрии фары, относится народная фара с алиэкспресса. Я попробовал изобразить кривую силы света и освещённость, которая получается на поверхности дороги.


С этой фарой получится характерное яркое и узкое пятно посередине. Чем дальше вы будете направлять фару от колеса, тем больше пятно будет вытягиваться в эллипс. Будет ещё небольшая освещённость по бокам и перед колесом, вызванная тем, что малая часть светового потока распространяется не вдоль оси. В общем, картина всем хорошо знакомая.



Что в этой картине хорошего? Все плюсы такого типа фар плотно завязаны на минусы. Одинаковый относительно оси световой поток позволяет хорошо освещать не только поверхность дороги, но и то, что над поверхностью. Например ветки деревьев и кустов, когда вы в ночи ломитесь через лес. Но, вот лес закончился, вы выезжаете на асфальт и ваша фара уже вместо веток освещает глаза водителей встречных машин. Они начнут справедливо негодовать, потому что фара адово слепит.

Концентрация светового потока в узкий пучок вдоль оси позволяет освещать поверхности далеко впереди. И тут надо объяснить почему. Потому что сила света и освещённость связаны между собой законом квадратов расстояний. При одной и той же силе света, если увеличить расстояние до освещаемой поверхности в 2 раза освещённость этой поверхности снизится в 4 раза. Увеличиваем расстояние в 10 раз, освещённость снизится в 100 раз. И это если располагать поверхность перпендикулярно оси фары. Поскольку дорожная поверхность не перпендикулярна оси, а располагается под углом к фаре, то в зависимость надо добавить угол падения света. Получаем такую формулу, где r — расстояние между фарой и точкой измерения освещённости, I — сила света в направлении точки измерения, θ — угол падения света.



С учётом угла ситуация получается даже хуже. Чем дальше от фары точка измерения освещённости, тем ближе θ к 90 градусам. А косинус 90 градусов равен 0. Соответственно, освещённость будет ещё меньше.

Зачем я все эти сложности расписывал? Только для того, чтобы проиллюстрировать: если надо светить далеко и получать там нормальную освещённость, сила света в этом направлении должна быть очень высокой. А что значит высокая сила света? Значит весь световой поток надо собрать в узкий пучок в этом направлении. Чем плох узкий пучок, и так всем ясно.

Но ОК, пусть фара светит на 20 метров вдаль, человек едет по широкой асфальтовой дороге, ему не надо разглядывать обочину и дорожное полотно перед собой. Он быстро едет и ему надо разглядывать только дорогу вдалеке. Допустим, его устраивает освещённость на 20 метрах от народной фары с алиэкспресса. :) Но вдруг он сворачивает на разбитую грунтовку, скорость падает, и нужно разглядывать ямы перед собой и как их объезжать по краю дороги. Что получится, если повернуть фару вниз, чтобы она светила на 2 метра перед колесом? Получится близкое к человеку очень яркое пятно, потому что освещённость дороги в этом месте станет в 100 раз выше. Сначала такое пятно будет слепить, но потом глаз адаптируется, станет норм, но кроме этого пятна ничего больше не будет видно. То же самое происходит когда в лагере ночью кто-то случайно засветит в глаза своим налобным фонариком. Кроме этого фонарика ничего больше не видно. Ну, или как в фильмах с допросом в застенках и настольной лампой в лицо. Мало, что яркое пятно не даёт ничего разглядеть за его пределами, так и само оно будет меньше, чем было на 20 метрах. Езда в ночи по мелкому пятачку перед собой мало кого устраивает. 

Поэтому, чем хуже дорога и чем ниже скорость, тем шире надо освещать дорогу, и освещённость при этом должна быть равномерной, чтобы не пересвечивать отдельные участки и не слепить.


Равномерную освещённость умеют делать велофары второго типа. С асимметричной кривой силой света и горизонтальной отсечкой светового потока. Как было показано выше, освещённость и сила света завязаны через квадрат расстояния и угол падения. Чтобы сделать равномерную освещённость вдаль надо светить гораздо сильнее. Без учёта угла падения. Сила света в сторону 1 м перед колесом должна быть в 100 раз меньше, чем в сторону 10 метров перед колесом и в 400 раз меньше, чем в сторону 20 метров перед колесом. Получается, что у фары практически весь световой поток сосредоточен в верхней части, которая светит в самую даль. Чем ближе к колесу, тем меньше светового потока требуется. Чтобы не слепить водителей автомобилей у фары сделана горизонтальная отсечка светового потока. Это значит, что выше некоей горизонтально проведённой над землёй линии сила света будет равна нулю. В реальности из-за паразитных переотражений в фаре выше горизонтальной линии что-то будет выходить. Но это такой мизер, что никому он не повредит. Но за счёт него фару и велосипед водитель всё-таки заметит в ночи.

Больше всех по таким фарам угорели немцы. У них даже есть нормативные документы на велосипедные фары, законодательство в этой области и органы контроля. Поэтому большинство велосипедных фар с горизонтальной отсечкой производятся именно в Германии.


Основное преимущество таких фар  равномерная освещённость дороги. При таком освещении легче выделить неровности и дефекты на дороге. Фара не слепит, водители и пешеходы скажут вам большое спасибо. Фара светит шире, чем народная с али.

Основной недостаток — не видно ветки над дорогой. И это серёзный минус для тех, кто планирует катать с фарой вне дорог. Всякие туристы и байкпакеры обычно берут с собой налобный фонарик в качестве запасного источника света и источника света на биваке. Они могут на сложных секциях использовать налобник для подсветки ветвей. А вот те, кто катает трейлы и всякие кросскантри марафоны, хотели бы обойтись одной фарой и не отвлекаться на напяливание дополнительного фонарика. Для них фара с отсечкой не подойдёт. Да и нет в ней необходимости. Водителей встречных машин нет, скорости высокие. Для ночных трейлов и кантрийных трасс нужна фара с большим световым потоком и широким симметричным распределением силы света. Есть редкие экземпляры таких фар для динамо-втулок. Но подавляющее большинство питается от аккумулятора. Потому что от аккумулятора питать проще и при этом можно больше мощность получить.

Теперь к вопросу почему "мощность" одних фар указывают в люменах, а других — в люксах? А дело тут всё в том же немецком законодательстве. Вот хорошая статья на английском с его анализом: "Germany: Bicycle lighting in StVZO/TA (updated to March 2018, with corrections and additions from other sources...)"


Немцы предлагают измерять не световой поток фары, а конкретную освещённость на стене, расположенной в 10 метрах от фары. В той её части, где сосредоточен основной световой поток и, соответственно, будет максимальная освещённость. Для этого нужна будет стена, тёмная комната и дешёвый измерительный прибор с названием "люксметр". При этом немцы ещё хотят, чтобы освещённость выше линии горизонта была меньше 2 лк. Это как раз, чтобы не слепить водителей.

Весь остальной мир так не заморачивается и измеряет световой поток. Вернее, даже не измеряет. А часто пишет просто расчётные значения, которые можно посмотреть в технической документации на светодиод, использованный в фаре.


А вообще-то надо бы именно измерять световой поток. Делается это либо в фотометрической сфере, либо гониофотометром. Это большие и дорогие приборы. Но совсем не обязательно их покупать. Можно воспользоваться услугами сторонних лабораторий.

Таким образм, если вы в описании на фару встретили люксы — фара немецкая или для продажи в Германии, фара с асимметричной кривой силы света и горизонтальной отсечкой, а значение показывает величину освещённости на стене на расстоянии 10 м от фары. Если вы встретили значение в люменах — кривая силы света может быть любой. Если производитель фары именитый — значение скорее всего реальное. Само значение ни о чём конкретном не говорит. Просто вот такое количество люменов из неё в сумме выходит во все стороны. Как они распределены, широко ли, узко ли, что будет на дороге перед вами — люмены молчаливо скрывают. Если производитель малоизвестный то и сама величина светового потока в люменах должна быть подставлена под вопрос. Потому что она скорее всего получена без реального измерения и не учитывает потери в фаре.


А потери могут быть разнообразными. Если фигово сделан теплоотвод, кристалл светодиода будет перегреваться, его эффективность снижаться, и реальный световой поток окажется меньше расчётного. Фиговый теплоотвод, это как на картинке справа. Алюминиевая печатная плата со светодиодом отводит тепло только через узкий торец на корпус фары. Слева — человеческая реализация теплоотвода. Здесь не только торец платы работает, но и все остальные поверхности. Даже если теплоотвод нормальный, в отражателе, оптике и защитном стекле фары все равно будут потери. И при том существенные: до 20%. Источник питания светодиода, убранный в фару, тоже вносит потери мощности и может снижать реальный световой поток.

Пора бы уже закругляться и привести пару примеров фар для динамовтулок. И первое что напрашивается: примастырить народную фару с али напрямую к динамке. Так можно?


Напрямую нельзя. Потому что фары с али рассчитаны на питание от аккумулятора и постоянного тока, а динамовтулка выдаёт переменный ток. Поэтому есть два пути. 

Первый: купить универсальный импульсный драйвер за 200 рублей, на борту которого распаян выпрямительный мост. Потом расковырять народную фару и заменить её родные кишки на купленный импульсный драйвер. Должно сработать. При этом фара сможет питаться и от втулки, и от аккумулятора. Но при этом будет фигово работать и там, и там. Фигово — в смысле неэффективно. Потому что будут потери мощности на выпрямительном мосте, связанные с невысокой ценой этого импульсного драйвера и не самыми лучшими компонентами. Но как вариант — вполне себе ничего, можно попробовать. Если вас устраивает фара с али и невысокая эффективность.

Второй вариант: взять конвертер для динамовтулки, который будет обеспечивать вам стабилизированные 5 В постоянного тока по стандарту USB. И уже в эти 5 В втыкать фару с али. Там много вариантов фар с USB вилкой на конце. Эффективность такого решения будет скорее всего повыше. Плюс от конвертера можно будет заряжать павербанк или телефон. Но придётся значительно больше денег отвалить за сам конвертер. Но зато на фаре можно будет сэкономить.



Если нет желания возиться, не устраивает народная фара и нужна фара с отсечкой, то стоит обратить внимание на эти:



Edelux II — это прям топчик.  Хорошая защита от воды, высокая эффективность (даже защтное стекло с просветлением), надёжная конструкция. Lumotex IQ-X слишком умная на мой взгляд фара и имеет проблемы с защитой от воды, но многие хвалят.

Если отcечка не нужна, хочется широкой симметричной кривой силы света, стоит обратить внимание на эти модели:


В Beacon встроен конвертер с USB выходом и дополнительный разъём для подключения задней фары. Видимо поэтому эта фара таких конских денег стоит.

Стоит так же выделить дорогую, но крутую фару австралийского производства K-Lite Bikepacker PRO V2.


Интересна фара тем, что производит её основатель, генеральный директор и единственный сотрудник компании K-Lite. Заявлены 1300 лм, в комплекте идёт специальный модуль, чтобы фара продолжала работать во время остановок. Фара весит всего 55 гр, и хорошо защищена от ударов, воды и пыли. Ну, и 20 из 85 участников Тур Дивайда в этом году поехали именно с ней.  

На этом всё. Следующий заключительный пост про конвертеры: "Преобразователи для динамовтулок."

Поделиться ВКонтакте

1 комментарий:

  1. А как-же почти отечественный продукт: night keeper 2 от товарища VRP?) Правда что-то молчит он уже полгода про обновления.

    ОтветитьУдалить