Slovník pojmov: Fotosenzor – komplexné definície a technické poznatky

Fotosenzor je neoddeliteľnou súčasťou modernej technológie, ktorá umožňuje systémom detekovať, merať a reagovať na svetlo. Tieto zariadenia sa nachádzajú v aplikáciách od automatizovaného osvetlenia a energetického manažmentu cez vedecký výskum, priemyselnú automatizáciu, bezpečnostné systémy až po pokročilú avioniku. Tento slovník ponúka podrobné definície, technické pojmy a reálne príklady využitia fotosenzorov a príbuzných technológií.

Čo je fotosenzor?

Fotosenzor je elektronické zariadenie, ktoré deteguje a meria svetlo tým, že premieňa dopadajúce fotóny na elektrický signál. Fotosenzory pracujú v ultrafialovom (UV), viditeľnom aj infračervenom (IR) spektre a poskytujú kľúčové informácie o intenzite a rozložení svetla.

Princíp činnosti:
Fotosenzory fungujú na základe fotoelektrického javu – keď fotóny dopadnú na polovodičový alebo fotoemisný materiál, vznikajú páry elektrón-diera alebo dôjde k emisií elektrónov, čím vzniká merateľný prúd alebo napätie. Citlivosť senzora (responsivita), spektrálna odozva a dynamický rozsah určujú vhodnosť pre rôzne aplikácie.

Hlavné využitie:

• Riadenie osvetlenia a využitie denného svetla
• Vedecké prístroje a fotometria
• Priemyselná a budovová automatizácia
• Bezpečnostné a zabezpečovacie systémy
• Letecká technika: displeje v kokpite, senzory na dráhach, navigačné pomôcky

Základné typy fotosenzorov

Fotodióda

Fotodióda je polovodičový p-n prechod, ktorý generuje prúd pri osvetlení. Pri zapojení v spätnom smere ponúka:

• Rýchlu odozvu: nanosekundy až mikrosekundy
• Linearitu: výstup úmerný intenzite svetla
• Nízky šum: vhodné pre presné merania

Varianty zahŕňajú PIN fotodiódy (s intrinsickou vrstvou pre vyššiu kvantovú účinnosť) a lavínové fotodiódy (APD) pre vnútorné zosilnenie. Fotodiódy sú neoddeliteľnou súčasťou optických komunikácií, pulzných oxymetrov, senzorov slnečného žiarenia a ovládania osvetlenia v kokpite.

Fotoodpor (LDR)

Fotoodpor alebo fotorezistor (LDR) mení svoj odpor v závislosti od intenzity svetla – vysoký v tme, nízky pri silnom osvetlení. Vyrobený z materiálov ako síran kadmia (CdS), LDR sú:

• Jednoduché, nízkonákladové
• Nelineárne, pomalšia odozva (desiatky až stovky ms)
• Ideálne na detekciu okolitého svetla, základné spínače, staršie systémy riadenia osvetlenia

Fototranzistor

Fototranzistor využíva svetlo na ovládanie bázy tranzistora, čím zosilňuje vznikajúci prúd. Ponúka:

• Vnútorné zosilnenie prúdu
• Vysokú citlivosť
• Pomalšiu odozvu (mikrosekundy až milisekundy)

Používa sa na detekciu objektov, optoizolátory, IR prijímače a v priemyselnej automatizácii; fototranzistory nájdeme aj v kokpitovom osvetlení a dymových detektoroch.

Fotovoltaický článok

Fotovoltaický článok priamo generuje napätie a prúd zo svetla, primárne pre solárnu energiu, ale aj ako senzor bez potreby napájania. Jeho využitie zahŕňa solárne senzory osvetlenia, automatiku využitia denného svetla a referenčné zariadenia pri fotometrickej kalibrácii.

Fotomultiplikátorová trubica (PMT)

Fotomultiplikátorová trubica je extrémne citlivá vákuová trubica, ktorá zosilňuje fotoelektróny z fotokatódy cez dynódové stupne a dokáže detegovať aj jednotlivé fotóny. PMT sú nenahraditeľné vo:

• Vedeckom výskume
• Zobrazovaní v medicíne
• LIDAR a nočnom videní v letectve

Lavínová fotodióda (APD)

Lavínová fotodióda pracuje blízko prierazného napätia, čím násobí fotoprúd vďaka lavínovému efektu (nárazová ionizácia). APD ponúkajú:

• Vysokú citlivosť a zosilnenie
• Rýchlu odozvu
• Počítanie fotónov, meranie času letu a vzdialenosti

Používajú sa na detekciu slabého svetla, v LIDAR a systémoch na predchádzanie kolíziám v letectve.

Fotoelektrický spínač / Fotoelektrický senzor

Fotoelektrický senzor deteguje prítomnosť objektu alebo vzdialenosť pomocou svetelného lúča (IR alebo viditeľného), pričom hlavné typy sú:

• Priechodzí lúč: samostatný vysielač a prijímač
• Reflexný so zrkadlom: využíva reflektor
• Difúzne odrazový: zachytáva odrazené svetlo od objektu

Bezkontaktná prevádzka, rýchla odozva a univerzálnosť robia tieto senzory ideálnymi pre priemyselné a letecké bezpečnostné systémy.

Technické pojmy a terminológia

Fotometrická kalibrácia

Fotometrická kalibrácia zosúlaďuje výstup fotosenzora s definovaným množstvom svetla (napr. lux), čím sa zabezpečí presnosť a sledovateľnosť. Kalibrácia zahŕňa osvetlenie referenčnými zdrojmi a meranie oproti štandardným prístrojom, pričom sa korigujú vplyvy inštalácie a prostredia.

Spektrálna citlivosť

Spektrálna citlivosť popisuje, ako efektívne senzor reaguje na rôzne vlnové dĺžky. Pre riadenie osvetlenia by mala zodpovedať citlivosti ľudského oka (CIE V(λ)), s maximom pri 555 nm. Nesprávna spektrálna citlivosť môže spôsobiť chyby najmä pri zmiešanom alebo netradičnom osvetlení.

Uhlová citlivosť

Uhlová citlivosť (alebo kosínusová charakteristika) určuje, ako sa výstup senzora mení v závislosti od uhla dopadajúceho svetla. Ideálne fotometrické senzory sa riadia Lambertovým kosínusovým zákonom – maximum pri kolmom dopade, s klesajúcou hodnotou s rastúcim uhlom. Odchýlky ovplyvňujú presnosť merania, najmä v zložitých priestoroch.

Kosínusová charakteristika (Lambertova charakteristika)

Kosínusová charakteristika zabezpečuje, že senzor integruje svetlo zo všetkých smerov úmerne kosínu uhla dopadu, čo je kľúčové pre presné meranie osvetlenosti a riadenie osvetlenia.

Farebný korekčný filter

Farebný korekčný filter upravuje spektrálnu citlivosť senzora tak, aby sa priblížila fotopickej citlivosti ľudského oka, čím zlepšuje presnosť merania osvetlenosti pri rôznych svetelných zdrojoch.

Difúzor

Difúzor rozptyľuje prichádzajúce svetlo, čím podporuje rovnomernú uhlovú odozvu a spriemeruje smerové alebo zrkadlové efekty. Pre dosiahnutie kosínusovej charakteristiky sú difúzory nevyhnutné a zároveň chránia senzory pred prachom a poškodením.

Aplikácie a systémy

Využitie denného svetla

Využitie denného svetla znamená použitie fotosenzorov a riadiacich systémov na prispôsobenie umelého osvetlenia podľa dostupného denného svetla, čím sa znižuje spotreba energie a zároveň zachováva požadovaná úroveň osvetlenia. Vyžaduje:

• Presnú kalibráciu
• Charakterizovanú spektrálnu a uhlovú citlivosť
• Rýchle riadiace algoritmy

Široko využívané v udržateľných budovách a letiskových termináloch.

Pomer úloha-senzor

Pomer úloha-senzor je vzťah medzi osvetlenosťou na pracovnej ploche (pracovná úloha) a výstupom senzora. Určuje sa súčasným meraním oboch veličín a je zásadný pri kalibrácii riadenia osvetlenia pre presné a užívateľsky orientované fungovanie.

Kondicionovanie signálu

Kondicionovanie signálu pripravuje surový výstup fotosenzora na ďalšie spracovanie, vrátane zosilnenia, filtrovania, integrácie a prevodu analógového signálu na digitálny. Spoľahlivé kondicionovanie je základom bezšumovej a stabilnej prevádzky v automatizácii a bezpečnostných systémoch v letectve.

Spätnoväzobný obvod

Spätnoväzobný obvod stabilizuje a linearizuje odozvu senzora, často využitím záporných spätných väzieb na zníženie šumu a zachovanie presnosti. Spätná väzba je nevyhnutná v stmievaní a automatizovaných osvetľovacích systémoch, kokpitových displejoch a bezpečnostných blokovaniach.

Sample and Hold

Sample and hold obvod zachytí okamžitý výstup senzora a podrží ho po určitý čas, čo umožňuje presný analógovo-digitálny prevod alebo časovo multiplexované spracovanie signálu.

Fotosenzory v letectve

Fotosenzory sú v letectve kľúčové pre:

• Prispôsobenie osvetlenia displejov v kokpite podľa okolia
• Riadenie osvetlenia dráh a pojazdových ciest
• LIDAR a nočné videnie pre navigáciu a detekciu prekážok
• Automatizovanú údržbu a bezpečnostné systémy

Pri dodržiavaní noriem (napr. ICAO, FAA) zabezpečujú fotosenzory bezpečnosť, viditeľnosť a efektívnu prevádzku v náročných podmienkach.

Zhrnutie

Fotosenzory sú základom modernej automatizácie, riadenia energie, vedeckých meraní a bezpečnostných systémov. Pochopenie ich fungovania, typov, kalibrácie a integrácie zaručuje optimálne využitie naprieč odvetviami – od inteligentných budov až po pokročilé letectvo.

Pre podporu integrácie, zákazkové riešenia alebo odbornú konzultáciu o využití fotosenzorov vo vašej aplikácii nás kontaktujte alebo naplánujte demo .