Описания различных фототиров, в том числе и на основе лазерной указки, неоднократно публиковались в радиолюбительской литературе. В предлагаемом варианте конструкции фототира в качестве фотоприемника использован тиратрон с холодным катодом, который одновременно является и индикатором точного попадания в цель.

Электронный фототир состоит из двух узлов — пистолета и мишени. При попадании в мишень лазерного луча включается световая индикация, через несколько секунд индикатор автоматически выключается. Выстрел пистолета сопровождается шумовым эффектом.

В качестве фотодатчика в данной конструкции использован тиратрон (триод) с холодным катодом. Светочувствительностью обладают лампы с активированным катодом [1]. Такие катоды имеют, например, тиратроны МТХ-90, ТХ18А. Активация катода слоем цезия снижает напряжение зажигания и горения разряда и увеличивает интенсивность свечения газа. С другой стороны, за счет этой же активации лампа приобретает чувствительность к уровню внешнего освещения. Для большинства применений данный эффект вреден, но в данном случае именно это и нужно. Наиболее доступной является лампа МТХ-90, ее размеры больше, поэтому она и была использована в конструкции.

Рис.1.

На рис. 1 [1] приведены статические характеристики светочувствительности лампы МТХ-90 при различных токах сетки (lc). По оси X отложены значения светового потока, падающего перпендикулярно торцу лампы, а по оси Y значения напряжения зажигания разрядного промежутка анод-катод.

Из приведенных графиков следует, что наибольшая светочувствительность проявляется при отключенной сетке (lc = 0), причем она становится значительной лишь при напряжениях, близких к напряжению зажигания лампы в темноте.

При завышенных, по сравнению с обычными, анодных напряжениях (около 300 В) у разных экземпляров МТХ-90 даже небольшой световой поток может понизить напряжение зажигания анодного промежутка на 30...60 В! При токах сетки 10...40 мкА лампа практически не чувствительна к свету.

Нужно отметить, что обычные неоновые лампы, например ТН-0,2, не активированы цезием, и пытаться применить их в данной конструкции бесполезно, хотя и не исключено, что какую-то минимальную светочувствительность к большим световым потокам они все-таки имеют.

Рис.2.

Принципиальная схема мишени приведена на рис. 2. Мишень содержит фотодатчик VL1, удвоитель напряжения VD1VD2C1C2, параметрический стабилизатор R1—R3VD3VD4, регулятор напряжения с фильтром R4—R8C3 и узел сброса.

В узел сброса входят датчик включения тиратрона R9, времязадающая цепь R10C4, аналог динистора VT1VT2VD6 и высоковольтный ключ на составном транзисторе VT3VT4. В соответствии с графиками, приведенными на рис. 1, сетка тиратрона никуда не подключена для достижения максимальной светочувствительности.

Мишень работает следующим образом. Когда тиратрон включается, на резисторе R9 появляется напряжение 15...20В, конденсатор С4 начинает заряжаться через резистор R10 до напряжения, при котором срабатывает аналог динистора. Ключ открывается и шунтирует параметрический стабилизатор напряжения. Напряжение на тиратроне VL1 падает ниже напряжения горения, и тиратрон гаснет. Конденсатор С4 разряжается через динистор и R13. Транзисторный ключ закрывается, напряжение питания тиратрона восстанавливается. Напряжение на R9 падает до нуля, поэтому С4 остается разряженным. Это состояние является устойчивым, если уровень фонового освещения недостаточен для включения тиратрона.

Если внешняя засветка велика, тиратрон включится, затем снова выключится, схема переходит в режим автоколебаний. Настройка заключается в том, чтобы, уменьшая анодное напряжение VL1 с помощью переменного резистора R4, добиться срыва автоколебаний, после чего мишень готова к работе в составе фототира. Обычное верхнее комнатное освещение работе датчика не мешает, поскольку напряжение на аноде можно перестраивать приблизительно на 60В, и его влияние можно устранить, а светочувствительность при небольшой фоновой засветке остается достаточно высокой. Если комната ярко освещена солнечными лучами, мишень работать не будет, даже если солнечный свет не попадает непосредственно на тиратрон.

Светодиод HL1 служит индикатором включения и дежурного режима мишени. Светодиод HL2 является индикатором срабатывания транзисторного ключа (мишень не готова). Диод VD5 защищает светодиод HL1 от напряжения обратной полярности, которое возникает из-за разряда конденсатора фильтра СЗ через резисторы R7, R4 и открытый транзисторный ключ. Индикатор HL1 с зеленым цветом свечения включен, на первый взгляд, не совсем удачно, но это сделано для того, чтобы через него проходил весь ток, потребляемый устройством в дежурном режиме, иначе даже при использовании суперяркого светодиода L-934SGC на расстоянии 10 м от мишени его не удастся разглядеть. Конечно, можно увеличить ток потребления устройства, уменьшив номинал резисторов R1—R3, но это приведет к существенному увеличению рассеиваемой ими мощности и росту температуры внутри мишени. Индикатор HL2 — красный суперяркий светодиод. В момент срабатывания транзисторного ключа ток через него приблизительно в два раза больше, чем через HL1, и его свечение хорошо заметно.

Поскольку напряжение включения некоторых экземпляров МТХ-90 при отсутствии внешнего освещения может доходить до 300В, напряжение сети 220 В пришлось удваивать. Без удвоения стабилитроны VD3, VD4 выходили бы из режима стабилизации при малейшем снижении сетевого напряжения.

На схеме VL1 имеет несколько странное обозначение, которое, тем не менее, вполне соответствует выполняемой функции. Тиратрон МТХ-90 действительно является одновременно и приемником излучения и элементом световой индикации.

В конструкции мишени, помимо указанных на схеме типов VD1—VD3, можно использовать любые диоды с максимально допустимым обратным напряжением 800...1000В и прямым током 0,5...1 А. Стабилитроны VD3, VD4 следует подобрать так, чтобы суммарное напряжение стабилизации было не более 300...305 В. Это нужно для того, чтобы не превышать максимально допустимое напряжения транзисторов КТ940А (300 В). Стабилитроны могут быть любого другого типа, например четыре Д817Г. Стабилитрон VD6 — любого типа с напряжением стабилизации 6... 10 В. Транзисторы VT1, VT2 — любые кремниевые соответствующей структуры с максимальным напряжением коллектор-эмиттер более 25 В. Светодиоды — обязательно суперяркие, например, из серии L-53 фирмы Kingbright. Оксидные конденсаторы - импортные аналоги К50-35.

Рис.3.

Вариант конструкции мишени показан на рис. 3. Элементы мишени размещены в пластмассовой коробочке размерами 105x65x20 мм с прозрачной крышкой. В эту коробочку была упакована та самая лазерная указка, которая использована в конструкции пистолета.

После ознакомления с сайтом в Интернете, посвященным лазерным указкам и их применению, и прочтения материала [3], автор данной статьи был уверен, что в лазерной указке установлена микросхема, стабилизирующая ток лазерного диода, а в лучшем варианте, еще и дополнительный фотодиод, позволяющий стабилизировать мощность излучения.

Когда в процессе экспериментов одна лазерная указка вышла из строя и была безжалостно разобрана, выяснилось, что никакой микросхемы стабилизатора тока, упоминавшейся в [3], внутри указки китайского производства не имеется.

Возможно, микросхема и присутствовала изначально в первоисточнике, но юго-восточные изготовители любят экономить. На рис. 4 приведена полная электрическая схема лазерной указки, снятая с натуры, а на рис. 5 показана ее вольтамперная характеристика.

Рис.4.

Из схемы понятно, что лазерный диод не защищен от превышения напряжения питания. Из графика на рис. 5 можно сделать вывод, что при напряжении питания больше 2 В последовательно соединенные лазерный диод и токоограничительный резистор R1 ведут себя как резистор с эквивалентным сопротивлением 70...80 Ом. Излучение лазера можно заметить уже при токах 0,15...0,2 мА, что приблизительно совпадает с минимальными рабочими токами красных суперярких светодиодов. Падение напряжения на лазерном диоде (точка перегиба на ВАХ) — 1,65... 1,7В— также приблизительно соответствует аналогичному параметру красных светодиодов.

Рис.5.

Возможно, отсутствие внутреннего стабилизатора тока даже к лучшему, иначе было бы непонятно, как может работать конструкция, описанная в [4]. Если бы стабилизация тока была, о чем упоминается в [3], то все усилия автора по модуляции луча [4] оказались бы малоэффективными.

Схема пистолета показана на рис. 6. От прототипа, описанного в [2], схема отличается тем, что для питания указки используются три элемента ААА (4,5 В), поэтому микросхема стабилизатора напряжения не нужна. В схему добавлена вторая кнопка, которая позволяет включить лазер в режим непрерывного излучения, что удобно при настройке прицела.

Узел звуковых эффектов, в отличие от конструкции, приведенной в [2], перенесен из мишени в пистолет, поскольку на больших расстояниях стреляющий не услышит звук, идущий от мишени. Модуль на рис. 2, обозначенный “МС”, — это готовая плата музыкального синтезатора с бескорпусной микросхемой-аналогом УМС от сломанного игрушечного автомата китайского производства.

Динамическая головка небольшого размера с сопротивлением катушки 8 Ом — от сломанного игрушечного или от настоящего сотового телефона. Кнопки включены в минусовой провод питания, поскольку микросхема звукового синтезатора включается подачей “нуля” на соответствующий вывод. Резисторы R1 и R2 имитируют внутреннее сопротивление трех последовательно включенных дисковых гальванических элементов LR44 (AG13, А76, V13AG).

Рис.6.

Эти элементы — штатное питание лазерной указки. Их внутренне сопротивление достаточно велико, например, у частично разряженных трех элементов AG13 от той же указки оно имело величину около 20 Ом. Внутреннее сопротивление конденсатора и элементов ААА существенно меньше.

Установить и закрепить указку так, чтобы луч сразу совпал с указанием прицела, довольно сложно, поэтому лучше сразу предусмотреть в конструкции пистолета возможность смещения рамки относительно мушки по вертикали и горизонтали.

Для пистолета можно (и желательно) использовать экземпляр указки, луч которой сфокусирован неидеально. Например, в данной конструкции пятно имело диаметр около сантиметра при расстоянии до мишени 12 м. В этом случае, при увеличении расстояния требования к точности прицеливания остаются практически постоянными, то есть попасть в “десятку” с расстояния 10 м не намного сложнее, чем с 3 м.

О. Федоров

Литература:

1. А. М. Еркин. Лампы с холодным катодом.— М.: Энергия, 1972.

2. И. Нечаев. Фототир на базе лазерной указки.— Радио, 2001, № 3, с. 58.

3. И. Нечаев. Новые профессии лазерной указки.— Радио, 1999, № 10, с. 52—54.

4. И. Нечаев. С ветотелефон на базе лазерной указки.— Радио, 2000, № 1, с. 54, 55.

Материал подготовил