Низковольтные газоразрядные ультрафиолетовые лампы

Однажды в детстве мне попалась в руки неоновая лампа. Обычная миниатюрная советская лампа с маленьким резьбовым цоколем как у ламп накаливания вроде МН3.5-0.26, которые повсеместно тогда использовались в фонариках. Подключив её к такой же обычной советской «квадратной» батарейке на 4.5 В я с досадой отметил, что лампа не работает. Такая неудача чуть было не отправила лампочку в мусорное ведро как неисправную, однако кто-то из старших вовремя подсказал, что лампа эта «газоразрядная» и ей просто надо больше напряжения. Хорошо, подумал я и подключил вторую квадратную батарейку последовательно – и … ничего не изменилось, лампа так и не загорелась. Но тут уже было все ясно – просто напряжения надо еще больше. А где взять еще больше напряжения, если все квадратные батарейки дома закончились? Конечно же, в розетке! Недолго думая, я взял сетевой кабель от какого-то старого прибора и соединил его с патроном от фонарика (хорошо, хоть не руками держал), куда вставил эту упрямую лампочку, после чего смело воткнул вилку в розетку…

[пропустить предысторию]

Но тут что-то пошло не так – вместо красивого оранжевого свечения произошел небольшой взрыв, и мне надолго запретили экспериментировать с электричеством. Назначение и практическую пользу этой странной лампы я тогда так и не понял, но прочно усвоил для себя одно: газовый разряд – это определенно что-то высоковольтное. Дальше были лампы дневного света, дроссели, стартеры, умножители, но все они лишь подтверждали вывод, полученный из того печального опыта. И, наверное, я бы так и продолжал считать и сегодня, если бы недавно не встретил на Али этот необычный лот.

А началось все с того, что наткнулся я вдруг на свои старые запасы ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием. Если кто не знает – можно сказать, что это первые версии «флешек», то есть микросхем, с одной стороны способных хранить информацию без подачи питания, а с другой – с возможностью эту информацию перезаписать. Сохраняется информация в таких микросхемах с помощью зарядов на изолированных затворах МОП-транзисторов, поэтому для записи применяется повышенное напряжение программирования (обычно 12.5 В, но бывали микросхемы, требующие больше), а для стирания – облучение кристалла УФ-излучением. УФ-излучение ионизирует оксид кремния, выполняющий роль диэлектрика, и заряд с изолированного затвора стекает, переводя микросхему в «исходное» стертое состояние. Для беспрепятственного доступа УФ-излучения к кристаллу, в керамическом корпусе микросхемы ПЗУ непосредственно над кристаллом делается окошко из кварцевого стекла, дарящее микросхемам тот самый неповторимый особенный вид. Англоязычное название данных микросхем – EPROM, то есть, Erasable Programmable Read Only Memory. Внешне выглядят они так:


На фото микросхемы M27C512 в корпусе DIP-28 от производителя ST с временем доступа 100 и 150 нс, позволяющие сохранить 512 КБит информации в формате 64Кх8. Поскольку микросхемы имели 8-битную организацию, они были очень популярны в 80-90-е годы и использовались повсеместно в различных 8-битных компьютерах того времени. Например, в очень известном клоне ZX-Spectrum Pentagon-128, разработанном отечественными специалистами, использовалось точно такое ПЗУ, как на фото. Хоть по современным меркам 64 КБ – очень мало, эти микросхемы все еще можно свободно и дешево купить на Али. Причем, поскольку в таких заказах всегда приходят б/у микросхемы, выпущенные в 90-е годы, можно твердо говорить, что это оригиналы. Также их можно купить и в обычных магазинах (интересно, что продается тут, вряд ли же б/у).

Но вернемся к теме обзора. Итак, чтобы программировать такие микросхемы нужен «высоковольтный» параллельный программатор, например, TL866-II Plus, который у меня был, а чтобы стирать – какой-либо УФ-излучатель. Производитель в документации утверждает, что стирание микросхемы начинается при облучении кристалла излучением с длиной волны 400 нм и меньше, но оптимально облучать ультрафиолетом с длиной волны 254 нм (забегая вперед, скажу, что именно такое излучение дает ртутная газоразрядная лампа).

Поскольку, в первый момент под рукой ртутной лампы не оказалось, я решил попробовать стереть ПЗУ «народным» фонариком Convoy S2+ с УФ-светодиодом Nichia, излучающим на длине волны около 365 нм:


И это действительно получилось! При установке фонарика непосредственно на окошко ПЗУ, стирание микросхемы произошло где-то за 25 минут. То есть, в крайней ситуации, если нет ничего другого, это тоже вполне рабочий метод. Аналогично можно использовать достаточно распространенные «черные» ртутные газоразрядные лампы «Black light», часто встречающиеся в ночных клубах и барах, т.к. они дают такое же излучение 365 нм (пары ртути излучают на этой длине волны, а для защиты от более жесткого УФ и видимого света в таких лампах применяется стекло Вуда). Также эти лампы хорошо знакомы и радиолюбителям, изготавливающим дома печатные платы по методу фоторезиста или использующим паяльные маски, т.к. для облучения заготовки здесь требуется то же самое УФ-излучение.

Но ждать 25 минут для каждой микросхемы – достаточно долго, поэтому после удачного опыта с фонариком я решил поискать какой-нибудь другой источник УФ-излучения. Самый простой вариант – купить на Али готовый УФ-стиратель, однако в отзывах жалуются на плохое качество сборки, да и стоит он почти $14 – если необходимо стирать одну микросхему в месяц, проще будет обойтись фонариком.

Но тут вдруг я вспомнил, что у меня в гараже где-то валяется советская УФ-лампа ДРБ-8, вытащенная когда-то давно из кухонной вытяжки. На вид она похожа на стандартную люминесцентную лампу с цоколем Т5 мощностью 8W и длиной 30 см, только вместо обычного стекла с нанесенным изнутри люминофором, стекло данной лампы кварцевое. Кварцевое стекло пропускает весь спектр излучения паров ртути, включая 254 и 185 нм. 254 нм – это именно то, что мне нужно, а вот 185 нм, кроме всего прочего, вызывает образование озона из кислорода воздуха, а так как озон – газ весьма ядовитый, включать такую лампу следует только в хорошо проветриваемых помещениях.

Опуская сложности процесса восстановления старого дроссельного «драйвера» для этой лампы, скажу, что с её помощью стереть микросхему ПЗУ при размещении «вплотную» удалось всего за 45 секунд! Вот это, конечно, отличный результат. Однако, получившуюся «стиралку» (фото ниже) вряд ли можно назвать удобной – длинная лампа, с которой надо обращаться очень аккуратно (внутри-то ртуть), относительно большой дроссель, сильный запах озона в процессе работы, все это поспособствовало продолжению поиска на Али более удобного решения.


И решениие было найдено в виде обозреваемых ламп. Изначально, увидев лот, я очень усомнился, каким образом лампа с обычной нитью накала внутри и заявленным рабочим напряжением в 10 В может генерировать настоящее УФ-излучение, ведь тут нужен газовый разряд, а он возникает, как мы хорошо помним, только при высоких напряжениях. Однако среди отзывов был положительный с комментарием «при включении запахло озоном, значит, лампа работает», благодаря которому я и сделал заказ двух таких ламп, благо цена в $1.59 (на момент покупки) за штуку позволяла поэкспериментировать.

Доставка заняла всего 2.5 недели, правда, тут могла на руку сыграть консолидация посылок Cainiao, недавно введенная Aliexpress – для небольших заказов с доставкой «эконом», похоже, консолидация действительно дает преимущество, т.к. их собирают вместе и отправляют получившийся пакет более быстрым способом. В общем, через 2.5 недели я получил достаточно объемный пакетик, где в пяти (не меньше) слоях «пупырки» были закручены две вот такие небольшие коробочки:


В которых оказались вот такие лампы:


Не смотря на то, что у продавца на странице лампы промаркированы, ни на колбе, ни на цоколе пришедших ламп никаких маркировок нет вообще. Будем считать, что их рабочие параметры соответствуют заявленным (10 В 3 Вт). Если посмотреть внимательно на саму лампу, можно внутри увидеть обычную нить накала, частично покрытую по краям каким-то белым веществом, непонятную пластину в середине и очень маленькие шарики металла внутри колбы. Так, значит, лампа все-таки ртутная! Внешне длина лампы — около 55 мм вместе с цоколем:


Как же работают эти странные лампы? Откуда там УФ излучение? Давайте подадим на нее питание. По описанию продавца лампа работает от 10 В, потребляет 300 мА и имеет мощность 3 Вт. Выставляем на лабораторном БП эти значения и подключаем лампу (патрона под Е17 у меня не оказалось, поэтому «используем то, что под рукою и не ищем себе другое»). Лампа начинает потреблять ток порядка 0.15 А и … как в том старом детском опыте с неонкой, ничего не происходит. Хотя нет, происходит – нить накала лампы еле видно раскаляется докрасна, но больше ничего.


В этот момент у меня появилось сомнение, может быть, я не так подключил лампу и для разжигания дуги необходим какой-то высоковольтный импульс? Но куда его подать, у лампы-то только два вывода, которые соединены внутри спиралью с достаточно малым сопротивлением. Следующей была мысль об ионизации электромагнитным полем, но я вовремя одумался, перед тем как отнести лампу в микроволновку. «Давай просто повысим напряжение» — в итоге решил я и стал плавно вращать ручку БП.

И… о, чудо, где-то на 13.5 В я увидел, как на вершине одного из контактов лампы вдруг появилось УФ-свечение, а еще через секунду (напряжение в этот момент было около 14.5 В, т.к. я инстинктивно продолжал медленно крутить ручку БП) в лампе вдруг образовался газовый пробой и она засветилась настоящим ультрафиолетом (в комнате мгновенно запахло озоном, так что о спектре излучения даже и думать не пришлось)!

В итоге было выяснено, что для уверенного розжига необходимо на БП выставить 15 В 300 мА, после чего подключить лампу. Процесс «запуска» показан на следующей анимации:


Как работает данная лампа – после подачи исходного напряжения питания (15 В) через нить накала начинает протекать ток, нить накала начинает нагреваться. От этого нагреваются пары ртути, содержащиеся в колбе, и в определенный момент их проводимость повышается настолько, что 15 В уже хватает для полноценного газового пробоя между вершинами электродов. Возможно, белое покрытие по краям электродов – это специальное вещество, обладающее повышенной эмиссией электронов, которое и способствует пробою при таком низком напряжении, ведь, если вспомнить, катоды радиоламп тоже были покрыты похожим по цвету веществом, повышающим эмиссию.

В момент пробоя ток в цепи резко возрастает и БП переходит в режим CC, выходное напряжение при этом несколько падает. Я зафиксировал напряжение порядка 12 В при токе 300 мА на обеих лампах, что дает мощность 3.6 Вт, то есть даже несколько больше, чем обещал продавец.


Следует иметь в виду, что если не ограничить ток через лампу после пробоя, при напряжении 15 В он может возрасти значительно выше рабочего тока в 300 мА (я кратковременно повышал до 700 мА), что приведет, конечно, к более яркому свечению лампы, но также и к перегреву краев нити накала лампы, которые начинают ярко светиться. В отзывах к товару человек подключал такую лампу напрямую в сеть 220 В через конденсатор небольшой емкости (4.7 мкФ, кажется), возможно для кого-то такой вариант окажется самым оптимальным.

Ну что же, теперь, когда мы убедились, что лампа работает, попробуем стереть им наше ПЗУ. При непосредственном контакте микросхемы М27С512 с колбой лампы, полное и уверенное стирание происходит за 90 секунд, то есть за полторы минуты. Очень даже неплохо для такого простого и недорогого источника УФ излучения. Скорее всего, теперь при необходимости я буду стирать микросхемы именно этой лампой, осталось только патрон Е17 найти и как-то всю конструкцию оформить хотя бы в некое подобие корпуса.

Итог: лампа работает как положено, можно брать. Открытым остается только вопрос с ресурсом.

Для обзора в качестве дополнительной категории указываю «сделано руками», т.к. данная УФ-лампа, думаю, заинтересует в основном радиолюбителей, собирающих что-то на старых ПЗУ с УФ-стиранием (хоть и в описании товара у продавца она позиционируется как бактерицидная). Заранее прошу прощения у тех, кто считает, что раздел «уже не торт», может быть для вас будет полезной хотя бы информация о существовании таких ламп.

P.S.