CZ170098A3 - Způsob a zapojení pro vytváření proudových impulsů pro elektrolytické vylučování kovů - Google Patents

Description

Z 03046/98-CZ

Způsob a zapojení pro vytváření proudových impulsů pro elektrolytické vylučování kovů

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu vytváření krátkých, cyklicky se opakujících unipolárních nebo bipolárních impulsních proudů IG, IE pro galvanizaci. Impulsní proudy mají mít vysokou intenzitu a vysokou strmost hran. Vynález se dále týká zapojení pro elektrolytické vylučování kovů, zejména pro provádění tohoto způsobu. Způsob je vhodný pro elektrolytické vylučování kovů, zejména pro galvanizaci desek vodivých spojů ve svislé nebo vodorovné poloze. Tento druh galvanizace se označuje jako "pulse plating".

Dosavadní stav techniky

Je známo, že elektrolytické vylučování kovů lze ovlivnit pomocí impulsních proudů. Týká se to chemických a fyzikálních vlastností vylučovaných vrstev. Týká se to však rovněž rovnoměrnosti tlouštky vrstvy kovu na povrchu galvanizovaného předmětu, tak zvaného rozptylu. Tyto vlastnosti jsou ovlivňovány následujícími parametry impulsního galvanizačního proudu: - frekvence impulsů - délka impulsů - mezera mezi impulsy - amplituda impulsů - doba nárůstu impulsu - doba poklesu impulsu - polarita impulsů (galvanizování, demetalizace) 2 • · » ·· · · · · ·· ♦ · · · β * ♦ ···« • · · · ♦··· · ··· • · · ·· ·· ·« ···· · ··· ·«·· ··· V dokumentu DE 27 39 427 AI je popsána galvanizace impulsním proudem lázně. Unipolární impulsy zde mají délku maximálně 0,1 ms. Variabilní je délka impulsů, mezera mezi impulsy a amplituda impulsů. K vytváření těchto impulsů se používají polovodičové spínače, zde tranzistory. Nevýhodou přitom je, že při použití spínacích tranzistorů je z technických a ekonomických důvodů omezen maximálně použitelný impulsní proud lázně. Horní hranice leží přibližně na několika stovkách ampérů.

Tyto nedostatky odstánuje způsob, který je popsán v doku mentu DE 4 0 05 34 6 AI. K vytváření proudových impulsů se zde jako rychlé spínací prvky používají odpojitelní tyristory (GTO: Gate turn off thyristor). Technicky proveditelné GTO jsou vhodné pro proudy až 1.000 A a více. V obou případech se v případě potřeby bipolárních impulsů zdvojnásobuje technická náročnost. V dokumentu GB-A 2 214 520, který se rovněž zabývá elektrolytickým vylučováním kovů, je v jednom z provedení ušetřen druhý zdroj stejnosměrného proudu pro lázeň, a to tak, že k přepólování dodávaného stejnosměrného napětí se použijí mechanické, elektromechanické a polovodičové spínače. Potřebné spínače pro velké proudy jsou však náročné. Kromě toho není tento systém flexibilní, protože při obou polaritách se musí pracovat se stejnou amplitudou proudu, neboť při krátkých proudových impulsech o vysoké amplitudě nelze v prakticky dostupných zdrojích proudu pro lázně dosáhnout dostatečně rychlé regulace amplitudy. Proto jsou také v dalším provedení podle tohoto dokumentu použity dva nezávisle na sobě nastavitelné zdroje proudu pro lázeň. Tyto zdroje proudu jsou přes přepínač spojeny s předmětem, který se nachází v elektrolytické lázni, a s elektrodou. Protože při galvanizaci desek plošných spojů je z důvodu požadované přesnosti, to jest 3 ·· · «· ·· ·· ·· • « Μ · · · · · · 4 • · · · · Φ·· · · · · • · · · · ·· · · ··· · · ··· ···· · · · rovnoměrnosti tloušťky vrstvy, zapotřebí použití proudových zdrojů pro lázeň s možností individuálního nastavení pro přední a zadní stranu desky, zdvojnásobují se tak náklady na realizaci způsobu podle tohoto příkladu provedení, neboť je zapotřebí mít celkem čtyři zdroje proudu pro lázeň.

Kromě vysoké technické náročnosti, zejména potřeby druhého zdroje proudu pro lázeň pro každou stranu desky vodivých spojů, způsobují elektronické spínače na velké proudy také značné ztráty energie. Na každém elektronickém spínači vzniká v sepnutém stavu při průchodu proudu úbytek napětí na vnitřním nelineárním odporu. Toto platí obecně pro všechny druhy polovodičových prvků, jednotlivé případy se od sebe liší pouze velikostí úbytku napětí. Se vzrůstajícím proudem se tento úbytek napětí, nazývaný také napětí nasycení nebo napětí v propustném směru, zvyšuje. V případě proudů užívaných obecně v galvanotechnice, to jest proudů například 1.000 A, činí napětí v propustném směru UF u diod a tranzistorů přibližně 1 V a u tyristorů přibližně 2 V. Ztrátový výkon Pv na každém z těchto polovodičových prvků se vypočte podle vzorce Pv = UF x IG, kde IG je galvanizační proud. Při IG = 1.000 A dosahuje ztrátový výkon Pv hodnoty 1.000 až 2.000 W. Teplo vznikající v elektronických spínačích se musí odvádět chlazením. Ve vlastním zdroji proudu pro lázeň vzniká také ztrátový výkon, který je nevyhnutelný a je řádově nejméně stejně velký. Tyto ztráty se v dalších rozborech neuvažují. Dále se uvažují pouze ztrátové výkony, které přídavně vznikají při vytváření proudových impulsů.

Galvanizační zařízení sestává z více galvanických lázní nebo článků, které jsou napájeny vysokými proudy. Jako příklad budiž uvažováno vodorovné zařízení pro vylučování mědi na deskách vodivých spojů v kyselých elektrolytech. Použitím proudových 4 • · · ·· ·· · · ·· · · « ···· • « « «·· · + ♦» • · · · · ·· ···· · • » « · · · é · impulsů se velmi podstatně zvýši množství mědi, která se vylučuje v jemných otvorech desek plošných spojů. Jako mimořádně účinné se ukázalo, jestliže se cyklicky střídá polarita impulsů. Při katodické polaritě galvanizovaného předmětu se pracuje s proudovými impulsy o délce 10 ms. Po tomto impulsu může následovat anodický impuls o délce jedné milisekundy. Při impulsním katodickém pokovování se s výhodou volí taková proudová hustota, která je vyšší nebo stejně velká jako proudová hustota, která se v těchto elektrolytech používá při galvanizaci stejnosměrným proudem. V průběhu krátkých anodických proudových impulsů probíhá proces demetalizace s podstatně vyšší proudovou hustotou než během katodických impulsů. Výhodné je, jestliže faktor anodické ke katodické fázi činí přibližně 4.

Desky plošných spojů se galvanizují oboustranně, to jest na své přední a zadní straně oddělenými zdroji proudu pro lázeň. Jako příklad se uvažuje pět elektrolytických lázní vodorovného galvanizačního zařízení. Lázně jsou opatřeny například pěti zdroji proudu pro lázeň na každou stranu galvanizovaného předmětu s jmenovitým proudem vždy 1.000 A, tedy celkem 10 zdrojů s celkem 10.000 A. Napětí na lázni činí při galvanizaci v kyselých elektrolytech přibližně 1 až 3 V a je nezávislé na proudové hustotě. S ohledem na vysoké proudy se jako příklad uvažuje energetická bilance pro příklad zapojení v dokumentu DE 40 05 346 AI (obr. 7). Pro další rozbor se uvažuje v tomto zapojení vytvářený pozitivní impuls, to jest galvanizační impuls, o délce t = 10 ms a záporný impuls, to jest demetalizační impuls, s podstatně vyšší amplitudou a délkou t = 1 ms. Zanedbávají se přitom nepřesnosti v důsledku malé strmosti hran impulsů. Polovodičovými prvky 6, 9, 5 v zapojení znázorněném na obr. 7 prochází tedy po dobu 10 ms plný galvanizační proud. Ztrátový výkon těchto spínacích prvků tedy činí v napájení každé lázně při výše 5 • ·

·· ·· • · · • · # · ♦ • » · · · · • · ♦ ·

uvedených napětích v propustném směru UF: (2V+1V+2V) x 1.000 A = 5.000 W. Po dobu 1 ms jsou pak otevřeny polovodičové prvky 7 a 8, kterými podle výše uvedeného prochází čtyřnásobný proud. Ztrátový výkon zde činí

Pv = (2 V + 2 V) x 4.000 A = 16.000 W. Střední ztrátový výkon vysokoproudého spínače při 11 ms dlouhém cyklu tedy činí kolem 6.000 W. Při napájení deseti lázní pak celkový ztrátový výkon činí 60 kW (kilowatt). Pro určení účinnosti je třeba tento ztrátový výkon porovnat s výkonem, který se přímo v elektrolytické lázni spotřebovává ke galvanizaci a demetalizaci. Napětí lázně se pro kyselé mědící lázně předpokládají 2 V při galvanizaci a 7 V při demetalizaci. Střední hodnota celkového výkonu na lázni činí při impulsní galvanizaci přibližně 4,5 kW (po dobu 10 ms 2 V x 1.000 A a po dobu 1 ms 7 V x 4.000 A) . Při porovnání s výše vypočtenými ztrátami ve výši 6 kW je samotná účinnost vysokoproudových spínačů, vztaženo na celkový výkon lázně, zžetelně pod 50 %.

Galvanizační zařízení, které je takto vybaveno elektronickými spínači vysokých proudů, pracuje zcela nehospodárně. Kromě toho je zde velmi vysoká technická náročnost elektronických spínačů a jejich chlazení. To má za důsledek, že taková impulsní zařízení mají také velký objem, což překáží uspořádání těchto zařízení těsně u elektrolytických lázní. Prostorová blízkost je ale nutná, má-li se v lázni na elektrodách docílit potřebné strmosti hran impulsů proudu v lázni. Dlouhé elektrické přívody působí totiž svými parazitními indukčnostmi proti rychlému nárůstu proudu.

Elektromechanické spínače mají ve srovnání s elektronickými spínači podstatně menší úbytek napětí v sepnutém stavu. Spínače, popřípadě stykače, jsou však zcela nevhodné pro požadovanou - 6 - - 6 - • · ·· · • · ·· • · · • · · · « · • ··· • · · • · φ φφ φφ • I Φ « φ φ φφ φφφ φ · • · φ φφ ·· vysokou frekvenci spínání ve výši 100 Hz. z uvedených technických důvodů se použití známé impulsní galvanizace omezuje na speciální aplikace a zejména na impulsní proudy, které patří z galvano-technického hlediska mezi malé proudy. Úkolem vynálezu je s přihlédnutím k těmto nedostatkům nalezení způsobu a zapojení, které umožní vytvářet pro galvanizaci krátké, cyklicky se opakující uni- nebo bipolární impulsní proudy s vysokou intenzitou, aniž by se projevovaly výše uvedené nedostatky, zejména aniž by vytváření impulsů probíhalo se značným ztrátovým výkonem. Kromě toho se má také dosáhnout zjednodušení a zlevnění elektronického zapojení, které je k tomu zapotřebí.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol řeší a nedostatky známých způsobů tohoto druhu do značné míry odstraňuje způsob vytváření krátkých, cyklicky se opakujících unipolárních nebo bipolárních impulsních proudů IG, IE pro galvanizaci, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že do galvanizačního stejnosměrného proudového obvodu, který sestává ze zdroje stejnosměrného proudu a galvanizační lázně s odporem (RB) lázně se pomocí prvku, zařazeného v sérii s galvanizační lázní, zavádí indukční cestou impulsní kompenzační proud IK polovaný tak, že proud lázně, který je dodáván ze zdroje stejnosměrného proudu, je kompenzován nebo překompenzován..

Je výhodné, jestliže zmíněný prvek je tvořen transformátorem.

Zavádí se kompenzační proud IK k nabíjení prvku, který slouží jako kapacita C, s výhodou kondenzátoru nebo akumulátoru.

Jako kapacita C působící prvek se v průběhu časových úseků, kdy není kompenzován nebo překompenzován proud lázně, zčásti vybíjí. K vytváření unipolárních proudových impulsů se amplituda impulsního kompenzačního proudu IK nastavuje nejvýše stejně velká jako amplituda proudu lázně, který je dodáván ze zdroje stejnosměrného proudu. K vytváření bipolárních proudových impulsů se amplituda impulsního kompenzačního proudu IK nastavuje větší než hodnota proudu lázně, který je dodáván ze zdroje stejnosměrného proudu.

Amplituda impulsního proudu IE pro demetalizaci se přitom nastavuje větší než amplituda impulsního proudu I; pro metalizaci a délka impulsů proudu IE se nastavuje menší než délka impulsů proudu IG. Při odděleném elektrolytickém napájení přední a zadní strany galvanizovaného předmětu impulsním proudem se impulsy se shodným opakovacím kmitočtem na obou stranách nastavují s výhodou synchronně.

Mezi impulsními proudy na přední a zadní straně galvanizovaného předmětu se s výhodou nastavuje konstantní fázový posuv tak, že se zároveň nedemetalizuje na obou stranách galvanizovaného předmětu.

Jako prvek, který je zařazen do serie s galvanizační lázní, se s výhodou použije proudový transformátor s prstencovým jádrem. Předmětem vynálezu je rovněž zapojení pro galvanizaci, 8 ·· · ·· «· ·* ·« • · ♦· · · · · » · · • · · · · ·*· · · ·· • ♦ · · · ·· ·· ··· · · ♦ · · · · · · ··· kterým se mohou vytvářet krátké, cyklicky se opakující unipolární nebo bipolární impulsní proudy IG, IE, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že do galvanizačního stejnosměrného proudového obvodu, který sestává ze zdroje stejnosměrného proudu a galvanizační lázně s odporem lázně se pomocí prvku, zařazeného v sérii s galvanizační lázní, zavádí indukční cestou impulsní kompenzační proud IK polovaný tak, že proud lázně, který je dodáván ze zdroje stejnosměrného proudu, je kompenzován nebo překompenzován.

Ke zdroji stejnosměrného proudu je s výhodou paralelně připojena kapacita C.

Zmíněný prvek je s výhodou tvořen proudovým transformátorem s primárním vinutím a sekundárním vinutím, které je zapojeno v sérii se zdrojem stejnosměrného proudu, přičemž primární vinutí má větší počet závitů než sekundární vinutí.

Vynález tedy spočívá v tom, že do galvanizačního stejnosměrného proudového obvodu, nazývaného stručně vysokoproudový obvod, který sestává ze zdroje stejnosměrného proudu a galvanizační lázně s odporem lázně se pomocí prvku, zařazeného v sérii s galvanizační lázní, zavádí indukční cestou pomocí vhodného prvku, například proudového transformátoru, impulsní kompenzační proud IK polovaný tak, že proud lázně, který je dodáván ze zdroje stejnosměrného proudu, je kompenzován nebo překompenzován.

Zmíněný prvek je zapojen v sérii s galvanizační lázní. Například, sekundární vinutí proudového transformátoru s malým počtem závitů je ve stejnosměrném proudovém okruhu zapojeno v sérii tak, že jím protéká stejnosměrný proud lázně. Na primární straně má proudový transformátor vysoký počet závitů, takže vstupní impulsy mohou mít v závislosti na převodovém poměru tohoto proudového náhradní strana - 9 - ·· · ·« ·« ·« ·· • · ·· · ♦ · é · · · é · · l · ·«· ···· • · · · · · · ·· ···· · • · · ···· · 9 · ·· M9 19 9« ·· 99 transformátoru malý proud při vysokém napětí. Indukované nízké impulsní sekundární napětí pak lázní protlačuje vysoký kompenzační proud. K uzavření proudového obvodu pro impulsní kompensační proud slouží kondenzátor, který je zapojen paralelně ke zdroji stejnosměrného proudu pro lázeň. Přehled obrázků na výkresech Podstata vynálezu je dále objasněna na neomezujících příkladech jeho provedení, které jsou popsány na základě připojených výkresů, které znázorňují: - na obr. la až le unipolární a bipolární průběhy galvanizačního proudu, jak se tyto ovykle používají v praxi; - na obr. 2a a 2b zapojení pro dodávání kompenzačního proudu do hlavního proudového okruhu, obr. 2a se týká galvanizace a obr. 2b demetalizace; schematický proudový diagram proudu v lázni při použití zapojení znázorněného na obr. 2; průběhy napětí v hlavním proudovém okruhu se zohledněním dob nárůstu a poklesu; elektrické schéma s vyznačením potenciálů; možné zapojení regulace proudového transformátoru; celkové zapojení pro použití při galvanizaci desek plošných spojů; - na obr. 3 - na obr. 4a - na obr. 4b - na obr. 5 - na obr. 6 10 ·« • + « ♦ ♦ ·· • · • · • · ·· • • • · • · • · · • • · · • ♦ · • · • · ··· • • · • • · • • ♦ • · • • - na obr. 7 dosavadní zapojení, které je popsáno v dokumentu DE 40 05 346 AI. Příklady provedení vynálezu

Pro výkresy platí, že proud v lázni je pro elektrolytické pokovování positivní, to jest zpracovávané předměty jsou vůči anodě polarizovány negativně. Pro elektrolytickou demetalizaci se použije negativní proud v lázni. Zpracovávané předměty jsou v tomto případě polarizovány vůči anodě pozitivně.

Diagram na obr. la platí pro galvanizaci stejnosměrným proudem. Podle obr. lb je proud v lázni krátkodobě přerušován. Zůstává však unipolární, což znamená, že se nepřepólovává směr proudu. Časová délka impulsů je s výhodou v rozsahu 0,1 ms až sekund. Přerušení jsou přiměřeně kratší. Na obr. lc je znázorněn impulsní unipolární proud s různými amplitudami. Na obr. Id je znázorněn bipolární, to jest krátkodobě přepólovávaný impulsní proud s dlouhou dobou galvanizace a krátkou dobou demetalizace. Amplituda proudu při demetalizaci zde činí několikanásobek amplidy proudu při metalizaci. Celkově však při době galvanizace například 10 ms a době demetalizace 1 ms je výrazný přebytek náboje pro galvanizaci nad nábojem pro demetalizaci. Tento tvar impulsů je vhodný zejména pro oboustrannou galvanizaci desek plošných spojů s jemnými otvory. Na obr. le je znázorněn průběh s dvojím tvarem impulsů, kterého se má dosáhnout způsobem podle vynálezu. Unipolární impulsy se zde střídají s bipolárními impulsy.

Galvanický článek představuje pro galvanizační proud v dobrém přiblížení ohmickou zátěž. Při průběhu proudu v lázni podle obr. lb jsou tedy proud v lázni a napětí na lázni ve fázi.

Nepatrné parazitní indukčnosti elektrických přívodů k elektrolytickému článku a zpět k proudovému zdroji jsou zanedbatelné. Impulsní proudy naproti tomu obsahují střídavé proudy. S rostoucí strmostí čel impulsů roste podíl vysokých kmitočtů střídavých proudů. Při strmých čelech jsou krátké doby nárůstu a zanikání impulsu. Indukčnosti v přívodech představují pro tyto střídavé proudy indukční odpory, kterými se protahují čela impulsů. Tyto jevy se však v dalším neuvažují, protože jsou nezávislé na způsobu vytváření impulsů a tudíž vždy stejné, pokud se nepoužijí nějaká zvláštní opatření. Nej jednodušší opatření spočívá v tom, že se použijí velmi krátké elektrické přívody s velmi nízkými ohmickými a indukčními odpory. Na výkresech je pro jejich zjednodušení galvanizační proud znázorněn vždy ve fázi s napětím, popřípadě se toto předpokládá.

Na obr. 2a a 2b je znázorněna superpozice impulsního kompenzačního proudu pomocí proudového transformátoru 1 podle vynálezu. Zdroj 2 stejnosměrného proudu pro lázeň je s touto elektrolytickou lázní 4, která je zde znázorněna jako odpor RB lázně, spojen elektrickými vodiči 3. V tomto hlavním proudovém obvodu 5 je v sérii s elektrolytickou lázní 4 zapojeno sekundární vinutí 6 proudového transformátoru 1. Primární vinutí 7 proudového transformátoru 1 je napájeno výkonovým impulsním zdrojem 8, který je napájen ze síťové přípojky 9. Průběhy proudu a napětí impulsů podle obr. Id odpovídají principiálně také jiným průběhům z obr. 1. Liší se pouze aktuální velikostí kompenzačního proudu. Proto jsou v následujících výkresech znázorněna a uvažována napětí, popřípadě proudy, odpovídající obr. Id.

Na obr. 2a je znázorněn provozní stav v průběhu galvanizace. V závorkách jsou uvedeny příklady potenciálů. Kondenzátor C je - 12 - • · t • · f * • · • · • * • · • • · • · % * • • · Ml • · » · $ · • • « · • · • « · · • * • * • • · • · • • « e · • c · • · ·· 0· nabit na napětí Uc ~ UGR. Napětí UTS na proudovém transformátoru 1 činí 0 Volt. Zásluhou toho je, odhlédne-li se od úbytků napětí na odporu elektrických vodičů 3 přívodů a na odporu sekundárního vinutí 6, na odporu RB lázně napětí UGR usměrňovače, které protlačuje galvanizační proud IG. Tento dočasný stav odpovídá galvanizaci stejnosměrným proudem. V hlavním proudovém obvodu 5 nejsou podle vynálezu zapotřebí žádné spínače.

Na obr. 2b je znázorněn provozní stav v průběhu demeta-lizace. Potenciály se již nemohou uvažovat staticky. Proto jsou na obr. 2b v závorkách uvedeny potenciály na časovém konci demetalizačních impulsů. Výchozím bodem jsou potenciály z obr. 2a. Výkonový impulsní zdroj 8 napájí primární vinutí 7 proudového transformátoru 1 proudem, jehož amplituda se v čase mění. Trvání proudu odpovídá době trvání kompenzačního proudu v hlavním proudovém obvodu 5. Primární napětí UTP na proudovém transformátoru 1 je tak velké, že v závislosti na počtu závitů jednotlivých vinutí 6, 7 se na sekundárním vinutí 6 dosáhne impulsního sekundárního napětí UTS, které je schopno protlačit požadovaný kompenzační proud IK. Kondenzátor C je dále s časovou konstantou τ = RB x C nabíjen, vycházejíc z napětí Uc = UGR, napětím UTS. Nabíjecím proudem je kompenzační proud IK a současně dematalizační proud IE. Při větší kapacitě kondenzátoru C může být nárůst napětí v krátké době toku nabíjecího proudu udržen malý. Místo kondenzátoru C se v zásadě může také použít akumulátor. Zdroj 2 stejnosměrného proudu pro elektrolytickou lázeň 3, který sestává z usměrňovače v můstkovém zapojení, se po dobu demetalizace samočinně odpojuje, protože v důsledku nabití platí, že Uc > UGR. Aniž by se použily přídavné spínací prvky, nedodává tedy zdroj 2 stejnosměrného proudu v časovém úseku, kdy je do hlavního proudového obvodu 5 dodáván indukovaným napětím UTS proud IGR, do hlavního proudového obvodu 5 automaticky žádný - 13 -

- 13 - ·· ·· • · · · • · M

·· « t* ·* • · · · · · * « · · · · ··· é * ······ I · · · · · ·

«4 ··· «· M proud. Po proudové kompenzaci je však do elektrolytické lázně 4 znovu dodáván proud ze zdroje 2 stejnosměrného proudu. Pro zabráněni vzniku krátkodobého zpětného proudu při pomalých usměrňovačích prvcích ve zdroji 2 stejnosměrného proudu pro elektrolytickou lázeň 4 se může do hlavního proudového obvodu 5 zařadit tlumivka 11. Po dráze přes proudový transformátor 1 se dodává energie pro demetalizaci. Vysoký, avšak v čase krátký demetalizační proud IE je dodáván sekundárním vinutím 6. Proud je dán převodovým poměrem u proudového transformátoru 1. Jestliže má tento proudový transformátor 1 převodový poměr u například 100:1, postačí, jestliže pro kompenzační proud IK = 4.000 A protéká primárním vinutím 6 proud pouze přibližně 40 A. Pro sekundární napětí UTS = 10 V je v tomto příkladu na primárním vinutí 6 zapotřebí přibližně 1.000 V. Výkonový impulsní zdroj 8 je tedy třeba konstruovat na vysoké napětí a poměrně malé impulsní proudy. Pro tyto účely jsou k dispozici polovodičové prvky s příznivou cenou. Zásluhou popsaného zapojení není ani pro vysoký demetalizační proud v hlavním proudovém okruhu 5 zapotřebí žádný spínač pro vysoké proudy.

Ztrátový výkon při vytváření impulsů je ve srovnání se známými způsoby velmi malý. Rozdíl je patrný již z výpočtu hlavních ztrát: Ve výkonovém impulsním zdroji 8 pro generování primárních proudových impulsů, který mimo jiné obsahuje elektronické spínače s napětím v propustném směru UF = 2 V, činí ztrátový spínací výkon P=40Ax2Vx (přibližně) 10 % poměrná délka impulsu = 8 W. Podobně je zapotřebí 8 W pro sycení proudového transformátoru 1 při opačném průtoku proudu proudovým transformátorem 1. Pro 10 napájecích zařízení pro elektrolytické lázně 4 vyjde celkový ztrátový výkon přibližně 160 W. Pro srovnání celkových spínacích ztrát v zapojení podle vynálezu se ztrátami ve známých zapojeních se u zapojení podle vynálezu musí > «

Μ ♦· • e · · • » ·· • · · · · • · · 14 zahrnout i ztráty v proudovém transformátoru 1. Použije-li se velmi dobrá vazba proudového transformátoru 1, například s prstencovým jádrem z tenkých plechů s vysokou permeabilitou, lze počítat s účinností proudového transformátoru 1 ve výši η = 90 %. Tyto ztráty pak při kompenzačním proudu 4.000 A a napětí 7 V při poměrné délce impulsů přibližně 10 % činí celkem přibližně 560 W. Pro 10 napájecích zařízení pro elektrolytické lázně 4 podle vynálezu činí celkový ztrátový výkon pro generování galvanizačního proudu 160 W ve spínačích a přibližně 5.600 W v proudových transformátorech 1. Ve svém součtu činí tyto dominující ztráty přibližně 6 kW. U 10 napájecích zařízení pro elektrolytické lázně 4 podle dosavadního stavu techniky by v takovém případě tyto ztráty naproti tomu činily přibližně 60 kW.

Technické náklady na provádění způsobu podle vynálezu jsou rovněž podstatně nižší než při použití dosud běžných spínacích zařízení. Vysokými galvanizačními proudy a ještě vyššími demetalizačními proudy jsou zatěžovány jen pasivní prvky. Tato okolnost podstatně zvyšuje spolehlivost impulsních napájecích zdrojů. Takto vybavená galvanizační zařízení mají proto také podstatně větší oblast použitelnosti, které se navíc dosahuje s podstatně nižšími investičními náklady. Současně je také nižší průběžná spotřeba energie. Zásluhou menší technické náročnosti je také menší konstrukční objem takových impulsních napájecích zdrojů, které lze proto instalovat blíže k lázním. Tímto se na minimum zredukují indukčnosti vedení v hlavním proudovém okruhu.

Na obr. 3 je schematicky znázorněn impulsní průběh proudu skrze odpor RB lázně, to jest galvanizační lázeň 20. Proud lázní a napětí na lázni jsou s ohledem na ohmický charakter odporu RB lázně navzájem ve fázi. V okamžiku tj začíná průtok kompenzačního proudu. Velikost a směr jsou určeny okamžitými napětími Uc a UTS. - 15 - • » aa • t* • • · • It « « a aa • 9 • • *·· • · a a • • * * • » · • · · · a a • • • • * • a aa ··« ·* • » V okamžiku t2 končí průtok kompenzačního proudu. Poté následující galvanizační proud IG je dán napětím UGR z usměrňovače a závisí vždy také na odporu RB lázně. Časový průběh napětí je přesněji znázorněn v diagramech na obr. 4a a 4b. Galvanizační proud IG je s galvanizačním napětím UG prakticky ve fázi a s ohledem na tento shodný průběh proto není znázorněn. V okamžiku t = 0 jsou napětí UGR usměrňovače, napětí Uc na kondenzátoru C a také galvanizační napětí UG přibližně stejně velká. Napětí UTS činí v tomto okamžiku 0 Volt. V okamžiku t! začíná nárůst napěťového impulsu UTS1 na sekundárním vinutí 6

proudového transformátoru 1. Napětí UTSi je polováno tak, že galvanizační napětí UG1 se stane záporným , takže se může demetalízovat. Galvanizační napětí UG je tvořeno součtem okamžitých napětí Uc a UTS. Napětí uTS je na kondenzátoru C polováno ve směru stávajícího nabití. Kondenzátor C se tudíž začne dále nabíjet na napětí UTS, a to s časovou konstantou τ = RE x C. V okamžiku t2 začíná pokles napěťového impulsu UTS1. V důsledku konečné indukčnosti sekundárního obvodu proudového transformátoru 1 nekončí klesající napěťový impuls na nulové linii. V důsledku napěťové indukce se objeví opačně polované napětí UTS2. Toto se nyní sčítá s napětím Uc na kondenzátoru C. Na odporu Rb se objeví krátkodobé napěťové převýšení UG2. Kondenzátor C se začne vybíjet s časovou konstantou i = RB x C, přičemž se nejméně zčásti nebo i úplně vybije. V okamžiku t3 tudíž napětí UTS činí 0 Volt. Napájení odporu RB lázně opět převezme zdroj UGR stejnosměrného proudu pro lázeň, takže UG = UGR. Napětí UGR, U,- a UG jsou pak opět přibližně stejně velká. Krátkodobé napěťové převýšení na odporu RB lázně je z galvanotechnických důvodů nežádoucí. V praxi je tento vrchol a jiné vrcholy na rozdíl od zde použitého znázornění zřetelně zaoblen. Další snížení napěťového převýšení na odporu RB lázně může v případě potřeby - 16 -

- 16 - I

0 9 90 • 9 • $ 9 9 9 0 • 99· 9 9 9 9 • 0 0 9 • 00 • 9 0 9 Ψ 0 • 9 zajistit ochranná dioda, která se zápoji paralelně k sekundárnímu vinutí 6 nebo k jinému vinutí na jádru proudového transformátoru 1. Nepatrné přepětí pak trvá delší dobu. Tento popis se dále blíže nezabývá známými zapojeními indukčností, což platí i pro konstrukci proudového transformátoru 1, který musí být konstruován jako impulsní transformátor. Impulsy je třeba do primárního vinutí 7 proudového transformátoru 1 zavádět tak, aby se předešlo magnetickému nasycení železa tohoto proudového transformátoru 1. Pro zbavení se nasycení je v přestávkách mezi impulsy po každém proudovém impulsu dostatek času k zavádění proudu s opačnou polaritou. Za tímto účelem se může na jádru proudového transformátoru 1 uložit přídavné vinutí. Příklad buzení proudového transformátoru 1 na jeho primární straně je znázorněn na obr. 5. Pomocný zdroj 12 napětí je podporován nabíjecím kondenzátorem 13 o kapacitě C. Elektronický spínač 14, zde IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor), je řízen napěťovými impulsy 15. V otevřeném, to jest vodivém, stavu elektronického spínače 14 teče do sekce I primárního vinutí 7 proudového transformátoru 1 primární proud a pro zjednodušení zapojení teče rovněž demagnetizační proud do sekce II primárního vinutí 7. V uzavřeném stavu teče pouze demagnetizační proud sekcí II primárního vinutí 7. V zájmu snížení nákladů zde pro tento demagnetizační proud nejsou použity další elektronické spínače. Počty závitů sekcí I a II primárního vinutí 7 a předřazený odpor 17, skrze který trvale protéká proud nepatrné velikosti, jsou navzájem sladěny tak, že nedochází k sycení železa proudového transformátoru 1. Primární proud ITP je schematicky znázorněn průběhem 18 proudu na obr. 5.

Na obr. 6 je znázorněno použití impulsních proudových jednotek 19 ve spojení s galvanizační lázní 20 se svisle uspořádanými galvanizovanými předměty. Pro přední stranu a zadní - 17 - • · · ·» · ♦ · · ·· « · * # φ » * · · · ♦ • · φ · · · · · · · · · * β ····*·* ·*· · · « φ · φ φ · φ φ φ · • φ φ φ Φ ΦΦ *4 · * * *

stranu plochého galvanizovaného předmětu, například desky plošných spojů, jsou použity dva zdroje 2 stejnosměrného proudu. Na každou ze stran desky 21 plošných spojů je přiváděn galvanizační proud odděleně z jednoho z těchto zdrojů 2 stejnosměrného proudu. Proti každé straně desky 21 plošných spojů je uspořádána anoda 22. V průběhu krátkého demetalizačního proudového impulsu pracují tyto anody 22 vůči galvanizovanému předmětu jako katody, galvanizovaný předmět je pak polován jako anoda.

Impulsní proudové jednotky 19 mohou pracovat navzájem asynchronně nebo synchronně. Pro galvanizování otvorů v deskách 21 plošných spojů je výhodné, jestliže impulsní průběhy se stejným opakovacím kmitočtem obou impulsních proudových jednotek 19 jsou synchronizovány a jestliže je zde zároveň fázový posuv těchto impulsních průběhů. Fázový posuv musí být takový, aby v průběhu fáze galvanizace na jedné straně desky 21 plošných spojů se na opačné straně objevil demetalizační impuls a obráceně. Takto se zlepší rozložení kovu, to jest galvanizace otvorů. Impulsní průběhy se shodným opakovacím kmitočtem však mohou být při odděleném elektrolytickém ošetřování přední a zadní strany ošetřovaného předmětu také navzájem asynchronní. Řešení podle vynálezu je vhodné pro impulsní galvanizaci a může se použít u svisle nebo vodorovně pracujících galvanizačních zařízení v provedení jak ponořovacím, tak i průběžném. V posledním případě jsou galvanizované deskovité předměty udržovány v průběhu zpracování ve vodorovné nebo svislé poloze. Časy a amplitudy, které jsou uvedeny v tomto popisu, se mohou v praktických aplikacích v širokém rozmezí měnit.

Zastupuje:

Ing.J.Chlustina 01.06.98

Claims (11)

1. Z 0304 6/98-CZ PATENTOVÉ NÁROKY Způsob vytvářeni krátkých, cyklicky se opakujících unipolárních nebo bipolárních impulsních proudů IG, IE pro galvanizaci, vyznačující se tím, že do galvanizačního stejnosměrného proudového obvodu (5) , který sestává ze zdroje (2) stejnosměrného proudu a galvanizační lázně (20) s odporem (RB) lázně, se pomocí prvku (1), zařazeného v sérii s galvanizační lázní (20), zavádí indukční cestou impulsní kompenzační proud I. polovaný tak, že proud lázně, který je dodáván ze zdroje (2) stejnosměrného proudu, je kompenzován nebo překompenzován. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že prvek (1) je tvořen transformátorem. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že se zavádí kompenzační proud IK k nabíjení prvku (10) , který slouží jako kapacita C, s výhodou kondenzátoru nebo akumulátoru. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že jako kapacita C působící prvek (10) se v průběhu časových úseků, kdy není kompenzován nebo překompenzován proud lázně, zčásti vybíjí. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, žek vytváření unipolárních proudových impulsů se amplituda impulsního kompenzačního proudu IK nastavuje nejvýše stejně velká jako - 21 - 9 9 · ·* 9 · ·* ·· 9 9 9 9 9 9* · · · > • · · · 9 9 · * * »·4 9 · * 9 * *9 * · ···· · 99 9 9999 999 • 9 99* 99 9 9 «9 · · amplituda proudu lázně, který je dodáván ze zdroje (2) stejnosměrného proudu.
2. 6. Způsob podle některého z předchozích nároků 1 až 4, vy značující se tím, žek vytváření bipolárních proudových impulsů se amplituda impulsního kompenzačního proudu IK nastavuje větší než hodnota proudu lázně, který je dodáván ze zdroje (2) stejnosměrného proudu.
3. 7. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že amplituda impulsního proudu IE pro demetalizaci se nastavuje větší než amplituda impulsního proudu IG pro metalizaci a že délka impulsů proudu IE se nastavuje menší než délka impulsů proudu IG.
4. 8. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že při odděleném elektrolytickém napájení přední a zadní strany galvanizovaného předmětu impulsním proudem se impulsy se shodným opakovacím kmitočtem na obou stranách nastavují synchronně.
5. 9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že mezi impulsními proudy na přední a zadní straně galvanizovaného předmětu se nastavuje konstantní fázový posuv tak, že se zároveň nedemetalizuj e na obou stranách galvanizovaného předmětu.
6. 10. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že jako prvek (1) , který je zařazen do serie s galvanickou lázní (20), se - 22 - ·« » ·· «« ·· ·· ···· ··· · · ♦ · • · · · · *·« ♦ * «· • · · ·* ·· ·· ·»*· · • φ · «·»· ♦ · · použije proudový transformátor s prstencovým jádrem.
7. 11. Zapojeni pro galvanizaci, kterým se mohou vytvářet krátké, cyklicky se opakující unipolární nebo bipolární impulsní proudy IG, IE, zejména k provádění způsobu podle nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že do galvani-začního stejnosměrného proudového obvodu (5) , který sestává ze zdroje (2) stejnosměrného proudu a galvanizační lázně (20) s odporem (RB) lázně, se pomocí prvku (1) , zařazeného v sérii s galvanizační lázní (20), zavádí indukční cestou impulsní kompenzační proud IK polovaný tak, že proud lázně, který je dodáván ze zdroje (2) stejnosměrného proudu, je kompenzován nebo překompenzován.
8. 12. Zapojení podle nároku 11, vyznačující se tím, že ke zdroji (2) stejnosměrného proudu je paralelně připojena kapacita C.
9. 13. Zapojení podle některého z nároků 11 nebo 12, vyznačující se tím, že prvek (1) je tvořen proudovým transformátorem s primárním vinutím (7) a sekundárním vinutím (6), které je zapojeno v sérii se zdrojem (2) stejnosměrného proudu, přičemž primární vinutí (7) má větší počet závitů než sekundární vinutí (6).
10. 14. Způsob vytváření krátkých, cyklicky se opakujících unipolárních nebo bipolárních impulsních proudů IG, IE pro galvanizaci, vyznačující se jednotlivými nebo všemi novými znaky nebo kombinací popsaných znaků.
11. 15. Zapojení pro galvanizaci, kterým se mohou vytvářet krátké, cyklicky se opakující unipolární nebo bipolární impulsní - 23 - 99 • • 9 « · • · • 9 * 9 99 • · • • 9 9 9 • 9 • • 9 9 9 » ♦ 9 9 * • · • «9 9 9 * 9 9*9 * 9 • 9 • • * • ♦ 9 9 9 ♦ · 9 99 99 9 9 * * 9 * proudy IG, IE, vyznačující se j ednotlivýrrii nebo všemi novými znaky nebo kombinací popsaných znaků. Zastupuj e: Ing.J.Chlustina 01.06.98