脈沖電鍍電源

常見的脈沖電鍍電源主要有以下幾種類型:

(1)單脈沖電鍍電源

輸出導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間可調(diào)的單向正方波，波形如圖所示。

一般為中頻可調(diào)，占空比為0%~100%可調(diào)。當(dāng)占空比為100%時(shí)，脈沖電流變成直流電流。

(2)雙脈沖電鍍電源

即周期換向脈沖電鍍電源，輸出波形如圖所示。

另外，還可輸出屬于雙向功能的單個(gè)脈沖換向、無關(guān)斷時(shí)間的單個(gè)脈沖換向、直流與脈沖換向及屬于單向功能的單脈沖和直流、直流疊加脈沖、間斷脈沖等波形。

頻率和占空比調(diào)節(jié)范圍與單脈沖電鍍電源的大致相同。

(3)多脈沖電鍍電源

即多組換向脈沖電鍍電源，主要循環(huán)輸出多組脈寬、頻率、幅值、換向時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等參數(shù)各不相同的直流、單向或周期換向脈沖電流，波形如圖所示。

(4)計(jì)算機(jī)控制多脈沖電鍍電源

在多脈沖電鍍電源的基礎(chǔ)上增加計(jì)算機(jī)全自動控制和過程監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)畫面顯示、數(shù)據(jù)庫管理(數(shù)據(jù)存儲、查詢、打印等)、系統(tǒng)自動保護(hù)、聲光報(bào)警及信息提示等功能。

節(jié)電:效率≥90%，比硅整流省電達(dá)40%左右或比可控硅電源省電達(dá)20%左右。

節(jié)料:由于它的工作原理與普通電源不一樣，因此在達(dá)到相同表面要求的前提下，可節(jié)料達(dá)15%左右。

節(jié)時(shí):由于采用高頻脈沖工作方式，電鍍完全是在過電位下的電沉積，因此可節(jié)約時(shí)間達(dá)10%左右，提高工效。

高頻脈沖電源采用N+1方式多個(gè)并聯(lián)，(硅整流或可控硅電源不可以)，大功率、大電流可任意并用，效率更高。

高頻電源的穩(wěn)定性:由于采用了最新現(xiàn)代半導(dǎo)體雙極型器件(IGBT智能模塊)，其可靠性、安全性、穩(wěn)固性和長時(shí)間工作壽命都大大加強(qiáng)和延長，這也是硅整流或可控硅電源無法比擬的。

高頻脈沖電源:其工作時(shí)，脈沖頂部非常之平，完全是一條直線，紋波可小到0.5%，關(guān)斷時(shí)可對被鍍件進(jìn)行瞬間退鍍整平，因此克服了硅整流或可控硅電源的脈動波紋及被鍍件表面的高低區(qū)，不會形成高的地方鍍層厚，低的地方鍍層薄的現(xiàn)象。

由于受脈沖電鍍電源內(nèi)部電感、電容等器件及外加負(fù)載的影響，實(shí)際應(yīng)用中的脈沖波形近似于梯形?？珊唵蔚赜萌鐖D中的波形來表示。

在電鍍體系中，電極/溶液界面間的雙電層近似于一個(gè)平板電容器。板問具有很高的電容。當(dāng)向該電鍍體系施加脈沖電流時(shí)，必須首先給雙電層充電。

雙電層充滿電(脈沖電流密度從零增至峰值)需要一定的時(shí)間tc。脈沖電流密度不可能從零垂直增至峰值，而是需要一定的"爬坡"。"爬坡"所需要的時(shí)間可簡單地視作脈沖的上升時(shí)間(確切的脈沖上升時(shí)間定義:脈沖電流密度由峰值電流密度的10%上升到90%所需要的時(shí)間)，上升時(shí)間也稱作"上升沿"、"前沿"、"上沖"等。

當(dāng)脈沖電流密度"爬坡"至峰值并持續(xù)一段時(shí)間tb后，開始進(jìn)入關(guān)斷期。進(jìn)入關(guān)斷期后，脈沖電鍍電源雖然停止向該電鍍體系供電，但雙電層放電(從滿電釋放至零)會使電流維持一段時(shí)間td所以，此時(shí)脈沖電流密度不可能從峰值垂直下降至零，而是需要一定的"下坡"。"下坡"所需要的時(shí)間可簡單地視作脈沖的下降時(shí)間(確切的脈沖下降時(shí)間定義:脈沖電流密度由峰值電流密度的90%下降到10%所需要的時(shí)間)，下降時(shí)間也稱作"下降沿"、"后沿"、"下沖"等。

正是由于脈沖前、后沿的客觀存在，使實(shí)際脈沖電鍍中的電流波形不可能足理想的方波，而是一種不規(guī)則的近似于梯形的波形。目前尚無法確知前、后沿對鍍層質(zhì)量的影響有多大，但可確知其存在會使脈沖電鍍瞬時(shí)高電位的有利作用得不到充分發(fā)揮。所以，脈沖電鍍中總是要求脈沖前、后沿盡可能小，一般要求前沿20~100μs，后沿30~100μS。其實(shí)，不應(yīng)只要求前、后沿大小，避免前、后沿大于(或等于)導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間也很必要。否則，若前沿(遠(yuǎn))大于導(dǎo)通時(shí)間，后沿(遠(yuǎn))大于關(guān)斷時(shí)間，則鍍槽內(nèi)只能得到在平均電流附近變化的脈沖電流，即:脈沖電流實(shí)際變成了直流電流。其波形，如圖所示。

一般高頻脈沖定義為頻率大于5000 Hz，低頻為頻率小于500Hz，中頻則在500~5 000Hz之間。用于電鍍的脈沖電源多屬于中頻類型。當(dāng)使用頻率較低的脈沖電源時(shí)，其改善鍍層質(zhì)量的效果會稍差。所以，低頻脈沖電源多用于陽極氧化或其他工藝，而較少用于電鍍，尤其是貴金屬電鍍。

當(dāng)使用頻率較高的脈沖電鍍電源時(shí)，脈沖前、后沿極易對導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間造成嚴(yán)重影響，從而影響脈沖電鍍瞬時(shí)高電位有利作用的充分發(fā)揮。例如:脈沖鍍金，頻率5000Hz(此時(shí)脈沖周期0.2 ms)，占空比20%，則導(dǎo)通時(shí)間為40μs，此時(shí)，假設(shè)脈沖前沿為最小的20μs(實(shí)際可能更大)，則其比例至少占到了導(dǎo)通時(shí)間的50%;若頻率大于5000Hz，占空比小于20%(脈沖鍍金時(shí)占空比很多時(shí)候選10%)，則前沿占導(dǎo)通時(shí)間的比例會更大，甚至前沿會大于導(dǎo)通時(shí)間，如此，脈沖電鍍改善鍍層結(jié)晶的作用肯定會受嚴(yán)重影響。實(shí)際脈沖電鍍貴金屬生產(chǎn)中，頻率多在1000Hz左右。

當(dāng)使用頻率更高的脈沖電源(上萬或幾萬赫茲)時(shí)，其輸出的電流多是如上圖所示的電流波形，實(shí)質(zhì)是一種直流電流，與能夠改善鍍層結(jié)晶的方波脈沖電流有本質(zhì)的區(qū)別。

1.脈沖參數(shù)表示

Q:周期 Ton:脈沖導(dǎo)通時(shí)間

Toff:脈沖關(guān)斷時(shí)間

f:頻率

Jp: 脈沖電流密度

Jm:平均電流密度

r%:占空比(導(dǎo)通時(shí)間與周期之比的百分?jǐn)?shù))

2.常用計(jì)算公式

①占空比:r%=(Ton/Q)×100%=[Ton/(Ton+Toff)]×100%

②平均電流密度:Jm=Jp×r% =Jp×[Ton/(Ton+Toff)]×100%

③頻率:f=1/Q=1/×(Ton+Toff) ④平均電流密度:Jm=Jp×r%

3.脈沖參數(shù)的選擇

⑴脈沖導(dǎo)通時(shí)間Ton選擇:

脈沖導(dǎo)通時(shí)間Ton是由陰極脈動擴(kuò)散層建立的速率或由金屬離子在陰極表面消耗的速率Jp來確定。如果Jp大，金屬離子在陰極表面消耗得快，那么，脈動擴(kuò)散層也建立得快，則Ton可短些，反之則取長。但無論Ton取長或短，只要大于tc(電容效應(yīng)產(chǎn)生的放電常數(shù))即可。

⑵脈沖關(guān)斷時(shí)間Toff選擇:

脈沖關(guān)斷時(shí)間Toff是受特定離子遷移率控制的陰極脈動擴(kuò)散層的消失速率來確定。如果將擴(kuò)散層向脈動擴(kuò)散層補(bǔ)充金屬離子使之消失得快，則Toff可取短些，反之則長，但Toff只要大于tcd(電容效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)間常數(shù))即可。

⑶脈沖電流密度Jp的選擇:

脈沖電流密度Jp是脈沖電鍍時(shí)金屬離子在陰極表面的最大沉積速度，它的大小受Ton、Toff、Jm的制約，在選定Ton和Toff，并保持Jm/Jgg≤0.5這個(gè)比值，則希望Jp越大越好。

⑷脈沖占空比r%選擇:

脈沖占空比是由Ton和Toff及Q決定的，一般脈沖電鍍貴重金屬時(shí)，占空比選取10~50%為最佳，脈沖電鍍普通金屬時(shí)，占空比選取25~70%。占空比的真正選擇要在實(shí)際試驗(yàn)后得到最佳結(jié)果。

1.脈沖電鍍電源與鍍槽之間的距離

為了確保脈沖電流波形引入鍍槽時(shí)不畸變，且衰減小，希望在安裝時(shí)，脈沖電鍍電源與鍍槽的間距2~3m為佳，否則對脈沖電流波形的后沿(下降沿)影響較大，電鍍將不能達(dá)到預(yù)期效果。

2.陰、陽極的導(dǎo)線連接方式

直流電源的導(dǎo)線連接方式，不適合脈沖電源的連接，脈沖電鍍電源的輸出連接，希望兩根導(dǎo)線的極間電容能夠抵消導(dǎo)線的傳輸電感效應(yīng)，因此陰、陽極導(dǎo)線最好的方法就是雙絞交叉后，引送到鍍槽邊，從而保持脈沖波形不變。

總之，采用高頻脈沖整流機(jī)，總體效益提高20%左右，符合現(xiàn)代企業(yè)清潔生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展之要求，這是淘汰硅整流和可控硅整流機(jī)的必然優(yōu)勢。

一、脈沖電鍍電源與鍍槽之間的距離

為了確保脈沖電流波形引入鍍槽時(shí)不畸變，且衰減小，希望在安裝時(shí)，脈沖電鍍電源與鍍槽的間距2-3m為佳，否則對脈沖電流波形的后沿(下降沿)影響較大，電鍍將不能達(dá)到預(yù)期效果。

二、陰、陽極的導(dǎo)線連接方式

直流電源的導(dǎo)線連接方式，不適合脈沖電源的連接，脈沖電鍍電源的輸出連接，希望兩根導(dǎo)線的極間電容能夠抵消導(dǎo)線的傳輸電感效應(yīng)，因此陰、陽極導(dǎo)線最好的方法就是雙絞交叉后，引送到鍍槽邊，從而保持脈沖波形不變。

三、導(dǎo)線的選用

1、由于是脈沖電源，為了避免趨夫效應(yīng)，在導(dǎo)線選擇時(shí)，應(yīng)選擇多股芯線作脈沖電源到鍍槽的連接線，多股芯線絞織，其間的線電容可以抵消其電感效應(yīng)。

2、導(dǎo)線的規(guī)格一定要滿足其通過的額定電流，因?yàn)槊}沖電流的電流密度要比平均電流的電流密度大很多很多，因此必須考慮能承受脈沖電源的電流所產(chǎn)生的電流熱效應(yīng)，以確保脈沖電源到鍍槽的衰減最小。

舉例：脈沖電流為1000A，占空比為60%，顯然其平均電流為600A，而額定電流為：(1000×60%)×1.3≈780A，在選擇導(dǎo)線時(shí)，額定值最好選擇≥800A的導(dǎo)線。

晶體管開關(guān)電源即脈沖電源階段脈沖電鍍電源是當(dāng)今最為先進(jìn)的電鍍電源，它的出現(xiàn)是電鍍電源的一次革命。這種電源具有體積小、效率高、性能優(yōu)越、紋波系數(shù)穩(wěn)定．而且不易受輸出電流影響等特點(diǎn)。脈沖電鍍電源是發(fā)展的方向，現(xiàn)已開始在企業(yè)中使用。

脈沖電源分為數(shù)字脈沖電源和模擬脈沖電源。所謂數(shù)字脈沖電源，是采用微處理器及數(shù)字電路對脈沖電源中的直流斬波進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示與數(shù)字調(diào)節(jié)的電源。它是當(dāng)今最為先進(jìn)的電鍍電源．由于與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，使其控制更加方便和靈活。目前是電鍍電源發(fā)展的方向。數(shù)字脈沖電源的原理示意圖如圖2所示。

與傳統(tǒng)的模擬脈沖電源相比．?dāng)?shù)字脈沖電源具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 驅(qū)動波形規(guī)整，極大地改善了斬波后的輸出波形，對提高電鍍質(zhì)量十分有利；

(2) 采用數(shù)字調(diào)控，直觀簡單；

(3) 波形調(diào)節(jié)范圍寬，調(diào)節(jié)步進(jìn)可以至0．1 ms；

(4) 溫度漂移系數(shù)小，能長期穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。

在目前的應(yīng)用中．普遍采用大功率開關(guān)管IGBT對直流電源進(jìn)行斬波，達(dá)到脈沖輸出的目的。數(shù)字控制器發(fā)出的方波驅(qū)動信號控制IGBT的通斷。改變數(shù)字控制器的信號，可以實(shí)現(xiàn)對輸出脈寬及頻率的可調(diào)。

數(shù)字脈沖電鍍實(shí)質(zhì)上是一種通、斷直流電鍍。所不同的是數(shù)字脈沖電鍍有三個(gè)獨(dú)立的參數(shù)(脈沖平均電流密度I、導(dǎo)通時(shí)間及關(guān)斷時(shí)間BED Equation．DSMT4)可調(diào)；而一般直流電鍍只有一個(gè)參數(shù)(電流或電壓)可調(diào)。因此，采用數(shù)字脈沖電鍍就為槽外控制鍍層提供了有力的手段。大量的實(shí)踐證實(shí)，數(shù)字脈沖電鍍是一項(xiàng)既能提高鍍層質(zhì)量，又能提高沉積速率的經(jīng)濟(jì)效益很高的電鍍新技術(shù)。

頻率越低，峰值電流越大，即在脈沖寬度的時(shí)間內(nèi)．就會使靠近陰極處的金屬離子急劇減少。由于在較短的時(shí)間內(nèi)，基質(zhì)金屬的沉積速度較快，輸送到陰極并嵌入鍍層中的速度趕不上基質(zhì)金屬的沉積速度。因此，為了提高鍍層質(zhì)量和效率，可以根據(jù)不同的鍍層金屬溶液，對脈沖電源的頻率和脈寬進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。實(shí)現(xiàn)對峰值電流的改變。

國內(nèi)外電鍍工作者大量的實(shí)踐證實(shí)，數(shù)字脈沖電鍍是一項(xiàng)既能提高鍍層質(zhì)量，又能提高沉積速率的電鍍新技術(shù)。智能化脈沖電源是改善電鍍工藝的較好途徑。只要根據(jù)不同的鍍層金屬溶液要求，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)如脈寬、頻率、溫度等，智能化脈沖電源就能自動完成對工件的電鍍加工 。

脈沖電鍍能改善鍍層均勻度。貴金屬電鍍時(shí)常常有最低厚度要求或抗蝕力指標(biāo)。這時(shí)，鍍層均勻度好，達(dá)到相同的最低厚度時(shí)要鍍的平均厚度就小，就可以節(jié)約貴金屬。同樣，由于脈沖電鍍可以改善鍍層均勻度、降低鍍層孔隙率。這樣，達(dá)到同樣的抗蝕力指標(biāo)時(shí)要鍍的平均厚度就小，也可以節(jié)約貴金屬。由于貴金屬價(jià)值高，節(jié)約貴金屬得到的效益就能抵消購買昂貴的脈沖電源的費(fèi)用，甚至還有效益。貴金屬電鍍時(shí)用的電源也比較小，價(jià)格更容易為人們接受，就更有利于推廣。反過來，這又促進(jìn)了貴金屬脈沖電鍍的研究。相反，鍍鋅用脈沖電源，設(shè)備投資何時(shí)能收回就很成問題。

所以，脈沖電鍍在鍍貴金屬時(shí)使用得多。?

在科技和工藝不斷發(fā)展的今天,正負(fù)脈沖電鍍電源的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大。脈沖電鍍與傳統(tǒng)的直流電鍍比較,可提高鍍層的質(zhì)量;縮短30%的工時(shí),節(jié)約20%的原料,尤其對復(fù)雜鍍件,深孔,微小孔,精密微波電路板,多層板的電鍍有非常理想的效果,越來越受到業(yè)界的青睞。本文就深圳實(shí)誠電源GKP系列正負(fù)脈沖電鍍電源為例,對其功能及新應(yīng)用進(jìn)行闡述,并和傳統(tǒng)的直流電鍍電源做個(gè)比較。