脈沖電鍍電源的波形

由于受脈沖電鍍電源內(nèi)部電感、電容等器件及外加負載的影響，實際應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平板電容器。板問具有很高的電容。當向該電鍍體系施加脈沖電流時，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"所需要的時間可簡單地視作脈沖的上升時間(確切的脈沖上升時間定義:脈沖電流密度由峰值電流密度的10%上升到90%所需要的時間)，上升時間也稱作"上升沿"、"前沿"、"上沖"等。

當脈沖電流密度"爬坡"至峰值并持續(xù)一段時間tb后，開始進入關斷期。進入關斷期后，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間td所以，此時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"所需要的時間可簡單地視作脈沖的下降時間(確切的脈沖下降時間定義:脈沖電流密度由峰值電流密度的90%下降到10%所需要的時間)，下降時間也稱作"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，不應只要求前、后沿大小，避免前、后沿大于(或等于)導通、關斷時間也很必要。否則，若前沿(遠)大于導通時間，后沿(遠)大于關斷時間，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。當使用頻率較低的脈沖電源時，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。

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

當使用頻率更高的脈沖電源(上萬或幾萬赫茲)時，其輸出的電流多是如上圖所示的電流波形，實質(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。

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

輸出導通時間和關斷時間可調(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)。當占空比為100%時，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脈沖換向、無關斷時間的單個脈沖換向、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、換向時間、持續(xù)時間等參數(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)計算機控制多脈沖電鍍電源

在多脈沖電鍍電源的基礎上增加計算機全自動控制和過程監(jiān)控，可實現(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、聲光報警及信息提示等功能。

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

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

節(jié)時: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)約時間達10%左右，提高工效。

高頻脈沖電源采用N+1方式多個并聯(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)固性和長時間工作壽命都大大加強和延長，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，脈沖頂部非常之平，完全是一條直線，紋波可小到0.5%，關斷時可對被鍍件進行瞬間退鍍整平，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。

1.脈沖參數(shù)表示

Q:周期 Ton:脈沖導通時間

Toff:脈沖關斷時間

f:頻率

Jp: 脈沖電流密度

Jm:平均電流密度

r%:占空比(導通時間與周期之比的百分數(shù))

2.常用計算公式

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脈沖導通時間Ton選擇:

脈沖導通時間Ton是由陰極脈動擴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(電容效應產(chǎn)生的放電常數(shù))即可。

⑵脈沖關斷時間Toff選擇:

脈沖關斷時間Toff是受特定離子遷移率控制的陰極脈動擴散層的消失速率來確定。如果將擴散層向脈動擴散層補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(電容效應產(chǎn)生的時間常數(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，占空比選取10~50%為最佳，脈沖電鍍普通金屬時，占空比選取25~70%。占空比的真正選擇要在實際試驗后得到最佳結(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不畸變，且衰減小，希望在安裝時，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，電鍍將不能達到預期效果。

2.陰、陽極的導線連接方式

直流電源的導線連接方式，不適合脈沖電源的連接，脈沖電鍍電源的輸出連接，希望兩根導線的極間電容能夠抵消導線的傳輸電感效應，因此陰、陽極導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，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不畸變，且衰減小，希望在安裝時，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，電鍍將不能達到預期效果。

二、陰、陽極的導線連接方式

直流電源的導線連接方式，不適合脈沖電源的連接，脈沖電鍍電源的輸出連接，希望兩根導線的極間電容能夠抵消導線的傳輸電感效應，因此陰、陽極導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、導線的選用

1、由于是脈沖電源，為了避免趨夫效應，在導線選擇時，應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。

2、導線的規(guī)格一定要滿足其通過的額定電流，因為脈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，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，在選擇導線時，額定值最好選擇≥800A的導線。

晶體管開關電源即脈沖電源階段脈沖電鍍電源是當今最為先進的電鍍電源，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。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行控制，并實現(xiàn)數(shù)字顯示與數(shù)字調(diào)節(jié)的電源。它是當今最為先進的電鍍電源．由于與計算機技術相結(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．數(shù)字脈沖電源具有如下優(yōu)點：

(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)運行。

在目前的應用中．普遍采用大功率開關管IGBT對直流電源進行斬波，達到脈沖輸出的目的。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，可以實現(xiàn)對輸出脈寬及頻率的可調(diào)。

數(shù)字脈沖電鍍實質(zhì)上是一種通、斷直流電鍍。所不同的是數(shù)字脈沖電鍍有三個獨立的參數(shù)(脈沖平均電流密度I、導通時間及關斷時間BED Equation．DSMT4)可調(diào)；而一般直流電鍍只有一個參數(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。大量的實踐證實，數(shù)字脈沖電鍍是一項既能提高鍍層質(zhì)量，又能提高沉積速率的經(jīng)濟效益很高的電鍍新技術。

頻率越低，峰值電流越大，即在脈沖寬度的時間內(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行適當調(diào)整。實現(xiàn)對峰值電流的改變。

國內(nèi)外電鍍工作者大量的實踐證實，數(shù)字脈沖電鍍是一項既能提高鍍層質(zhì)量，又能提高沉積速率的電鍍新技術。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，設置相應的參數(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。貴金屬電鍍時常常有最低厚度要求或抗蝕力指標。這時，鍍層均勻度好，達到相同的最低厚度時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，達到同樣的抗蝕力指標時要鍍的平均厚度就小，也可以節(jié)約貴金屬。由于貴金屬價值高，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用，甚至還有效益。貴金屬電鍍時用的電源也比較小，價格更容易為人們接受，就更有利于推廣。反過來，這又促進了貴金屬脈沖電鍍的研究。相反，鍍鋅用脈沖電源，設備投資何時能收回就很成問題。

所以，脈沖電鍍在鍍貴金屬時使用得多。?

在科技和工藝不斷發(fā)展的今天,正負脈沖電鍍電源的應用領域在不斷擴大。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,節(jié)約20%的原料,尤其對復雜鍍件,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。本文就深圳實誠電源GKP系列正負脈沖電鍍電源為例,對其功能及新應用進行闡述,并和傳統(tǒng)的直流電鍍電源做個比較。