Słownik pojęć dotyczących czujników światła

Czujnik światła

Czujnik światła to urządzenie zaprojektowane do wykrywania i reagowania na obecność lub natężenie światła. Przekształca energię padającego światła (fotonów) w sygnał elektryczny (prąd, napięcie lub opór), stanowiąc podstawę systemów fotometrycznych. Czujniki światła stosowane są w automatyce przemysłowej, monitoringu środowiska, lotnictwie oraz elektronice użytkowej. Określane są również jako czujniki fotoelektryczne, czujniki światła otoczenia lub czujniki jasności. Ich rolą jest dostarczanie ilościowych danych o poziomie światła, umożliwiając automatyczną kontrolę, systemy bezpieczeństwa i naukowy pomiar.

Kluczowe cechy czujników światła to czułość spektralna (zakres wykrywanych długości fal), czas reakcji (jak szybko zmienia się wyjście względem światła) oraz liniowość (dokładność zależności wyjścia od natężenia światła). W lotnictwie czujniki światła są kluczowe dla sterowania oświetleniem w kokpicie i na pasie startowym, zapewniając optymalną widoczność pilotom. W elektronice użytkowej umożliwiają automatyczną regulację jasności wyświetlaczy dla komfortu i oszczędności energii. Zgodnie z ICAO, czujniki światła w systemach sterowania oświetleniem lotniskowym automatyzują przełączanie i ściemnianie świateł pasa startowego dla bezpieczeństwa i efektywności.

Fotodioda

Fotodioda to półprzewodnikowy czujnik światła, który zamienia światło na prąd elektryczny w wyniku zjawiska fotoelektrycznego. Gdy fotony padają na złącze p-n, generowane są pary elektron-dziura, tworząc prąd proporcjonalny do natężenia światła. Fotodiody charakteryzują się bardzo krótkim czasem reakcji (mikrosekundy lub mniej), wysoką czułością i liniowym wyjściem, co czyni je idealnymi do precyzyjnych zastosowań fotometrycznych, takich jak przyrządy naukowe, wyświetlacze kokpitowe czy systemy monitorowania pogody.

Fotodiody występują w konfiguracjach takich jak PIN (dla szybkości), lawinowe (dla wzmocnienia w słabym świetle) i krzemowe (dla czułości na światło widzialne/bliską podczerwień). Ich wydajność zależy od sprawności kwantowej, prądu ciemnego i szumów. Fotodiody mogą pracować w trybie fotowoltaicznym (wyjście napięciowe) lub trybie fotoprzewodzącym (wyjście prądowe). ICAO określa fotodiody jako elementy urządzeń kalibracyjnych do oświetlenia lotniskowego, zapewniając zgodność z przepisami.

Fototranzystor

Fototranzystor to światłoczuły tranzystor wzmacniający prąd generowany przez pochłonięte fotony, zapewniając wyższe wyjście niż fotodiody. Obszar bazy jest wystawiony na światło, a powstały niewielki prąd fotoprąd jest wzmacniany przez tranzystor. Fototranzystory są czułe na niskie natężenia światła, ale ich reakcja jest wolniejsza i mniej liniowa niż fotodiod.

Fototranzystory stosowane są w luksomierzach, przełącznikach optycznych i urządzeniach bezpieczeństwa. W lotnictwie mogą sterować oświetleniem w zależności od światła otoczenia. Odpowiedź spektralna zależy od materiału i filtrów. Fototranzystory oferują zwiększoną czułość, lecz wykorzystywane są tam, gdzie ważniejsze są koszty i prostota niż szybkość czy absolutna dokładność.

Fotoopornik (LDR – Light Dependent Resistor)

Fotoopornik lub LDR (Light Dependent Resistor) to bierny czujnik, którego opór maleje wraz ze wzrostem padającego światła. Wykonany z materiałów fotoprzewodzących, takich jak siarczek kadmu (CdS), LDR wykazuje duże zmiany oporu od ciemności do oświetlenia. Są proste i tanie, szeroko stosowane do automatycznego sterowania oświetleniem i w celach edukacyjnych.

Fotooporniki są nieliniowe, wolno reagują i zazwyczaj są czułe na światło widzialne. Ich zastosowanie w lotnictwie ogranicza się do niekrytycznych aplikacji ze względu na dokładność i względy środowiskowe (CdS jest substancją szkodliwą). W systemach bezpieczeństwa preferowane są czujniki półprzewodnikowe, takie jak fotodiody.

Czujnik światła otoczenia

Czujnik światła otoczenia mierzy natężenie światła w środowisku, często odzwierciedlając spektralną czułość ludzkiego oka. Nowoczesne czujniki wykorzystują silikonowe fotodiody z wbudowanymi filtrami i układami kondycjonowania sygnału, generując sygnały analogowe lub cyfrowe. Są niezbędne w smartfonach, awionice i systemach sterowania oświetleniem lotnisk, dostosowując poziomy światła i wyświetlaczy dla komfortu, wydajności i zgodności z przepisami.

Cechy to szeroki zakres czułości, szybka reakcja i stabilność temperaturowa. Zaawansowane modele oferują skalibrowane wyjście w luksach, programowalny wzmacniacz i czujnik zbliżeniowy. Integracja odbywa się zazwyczaj przez I2C/SPI do sterowania w czasie rzeczywistym w systemach wbudowanych.

Fotometria

Fotometria to pomiar światła widzialnego, postrzeganego przez ludzkie oko, za pomocą jednostek takich jak lux, lumen i kandela, ważonych według krzywej fotopowej CIE. Fotometria jest podstawą projektowania i regulacji oświetlenia – zwłaszcza w lotnictwie, gdzie precyzyjne pomiary zapewniają bezpieczeństwo pasów startowych i dróg kołowania.

Fotometry wykorzystują filtrowane fotodiody lub standardowe źródła światła, z kalibracją powiązaną z krajowymi wzorcami. Normy ICAO i ASTM określają procedury dokładnych, powtarzalnych pomiarów światła.

Lux

Lux (lx) to jednostka natężenia oświetlenia, czyli strumienia świetlnego na metr kwadratowy. Określa, ile światła widzialnego pada na powierzchnię – co jest kluczowe przy specyfikacji i weryfikacji oświetlenia w biurach, na lotniskach i w przestrzeni publicznej. W lotnictwie lux jest używany do ustalania minimalnego oświetlenia pasa startowego czy płyt postojowych zgodnie z ICAO Załącznik 14.

Luksomierze wykorzystują skalibrowane fotodiody i korekcję cosinusową dla dokładności. Pomiary pomagają zapewnić bezpieczeństwo, efektywność energetyczną i zgodność z przepisami.

Lumen

Lumen (lm) określa strumień świetlny – całkowitą moc światła widzialnego emitowaną w ciągu sekundy. Jeden lumen to strumień z jednej kandeli w jednym steradianie. Wartości lumenów są kluczowe przy porównywaniu wydajności oświetlenia i zapewnianiu zgodności w lotnictwie i innych dziedzinach.

Do pomiaru całkowitego strumienia świetlnego stosuje się kule całkujące i skalibrowane fotodetektory, uwzględniające emisję we wszystkich kierunkach.

Kandela

Kandela (cd) to podstawowa jednostka SI natężenia światła – mocy emitowanej w określonym kierunku na steradian. Jedna kandela to jeden lumen na steradian. Systemy oświetlenia lotniczego są określane w kandelach, aby zapewnić widoczność. Pomiar odbywa się za pomocą goniometrów do określenia kierunkowego rozsyłu światła – kluczowe w projektowaniu i certyfikacji oświetlenia.

Odpowiedź spektralna

Odpowiedź spektralna to czułość czujnika na różne długości fal światła. W fotometrii czujniki powinny odpowiadać krzywej fotopowej CIE (maksimum przy 555 nm), ale krzemowe czujniki mogą wykrywać także UV i IR, co może zniekształcać wyniki. Korekcję zapewniają filtry optyczne i kalibracja.

Odpowiedź spektralna jest kluczowa w zastosowaniach od pomiarów regulacyjnych po uprawę roślin i monitorowanie UV. Karty katalogowe czujników podają krzywe spektralne dla dopasowania do aplikacji.

Kalibracja

Kalibracja dostosowuje wyjście czujnika do wzorców odniesienia dla uzyskania dokładnych, śledzonych pomiarów. Polega na wystawieniu czujnika na znane poziomy światła i rejestracji wyjścia, uwzględniając nieliniowość, temperaturę i niezgodność spektralną. ICAO określa interwały i śledzenie kalibracji podczas inspekcji oświetlenia lotniskowego.

Kalibracja gwarantuje zgodność, bezpieczeństwo i dokładność naukową, a w terenie stosuje się certyfikowane mierniki lub fotometry wzorcowe.

Czas reakcji

Czas reakcji to czas między zmianą światła a odpowiadającą jej zmianą wyjścia czujnika, mierzony od 10% do 90% wartości końcowej. Szybka reakcja jest kluczowa w komunikacji optycznej, automatyce i pilotowanych systemach oświetlenia. Fotodiody są najszybsze (nanosekundy), fototranzystory wolniejsze, a fotooporniki najwolniejsze (dziesiątki do setek milisekund). W lotnictwie szybka reakcja umożliwia sterowanie oświetleniem w czasie rzeczywistym dla bezpieczeństwa.

Liniowość

Liniowość opisuje, jak dokładnie wyjście czujnika odwzorowuje natężenie światła. Fotodiody są bardzo liniowe, fototranzystory i fotooporniki mniej. Liniowość jest kluczowa dla dokładnych pomiarów fotometrycznych i zgodności z regulacjami, a w razie potrzeby podczas kalibracji stosuje się funkcje korekcyjne.

Korekcja cosinusowa

Korekcja cosinusowa zapewnia, że czujnik dokładnie mierzy natężenie światła niezależnie od kąta padania, zgodnie z prawem cosinusa. Realizuje się to przez dyfuzory lub odpowiednio ukształtowane okna wejściowe i jest to wymagane w urządzeniach fotometrycznych spełniających standardy, szczególnie dla oświetlenia zewnętrznego lub wielokierunkowego.

Miernik natężenia oświetlenia (luksomierz)

Miernik natężenia oświetlenia lub luksomierz to skalibrowany, z korekcją cosinusową, przyrząd z fotodiodą do pomiaru luxów. Stosowany w lotnictwie, architekturze i uprawie roślin, luksomierze weryfikują zgodność oświetlenia i optymalizują projekty. Prawidłowe użycie wymaga precyzyjnego ustawienia i regularnej kalibracji.

Strumień świetlny

Strumień świetlny (w lumenach) to całkowita postrzegana moc emitowanego światła, ważona według wrażliwości oka ludzkiego. Służy do określania wydajności lamp i mierzy się go przy użyciu kul całkujących i skalibrowanych detektorów. Normy lotnicze wymagają minimalnego strumienia świetlnego dla różnych opraw oświetleniowych.

Natężenie światła

Natężenie światła mierzy ilość strumienia świetlnego emitowanego w określonym kierunku, wyrażone w kandelach. Jest podstawą projektowania oświetlenia zgodnego z przepisami, zapewniając widoczność kierunkową i zgodność z normami.

Dalsza lektura i źródła

• ICAO Annex 14 – Aerodromes: Aerodrome Design and Operations
• CIE (Commission Internationale de l’Éclairage)
• ASTM International Lighting Standards
• National Institute of Standards and Technology (NIST) – Photometry
• EASA (Europejska Agencja Bezpieczeństwa Lotniczego)

Czujniki światła są niezbędne dla bezpieczeństwa, wydajności i automatyzacji współczesnych systemów. Ich właściwy dobór, kalibracja i zastosowanie zapewniają zgodność, niezawodność i optymalną wydajność w różnych branżach – w tym w kluczowym sektorze lotnictwa.