CZ290052B6

CZ290052B6 - Způsob a zapojení pro vytváření proudových impulzů pro elektrolytické vylučování kovů

Info

Publication number: CZ290052B6
Application number: CZ19981700A
Authority: CZ
Inventors: Egon Hübel
Original assignee: Atotech Deutschland Gmbh
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2002-05-15
Also published as: BR9612163A; DE59603510D1; US6132584A; JP4028892B2; WO1997023665A1; ATE186081T1; JP2000505145A; EP0868545B1; KR100465545B1; CN1093337C; EP0868545A1; ES2139388T3; CZ170098A3; KR19990071793A; CA2241055A1; DE19547948C1; HK1017392A1; CN1205745A

Abstract

Do galvaniza n ho stejnosm rn ho proudov ho obvodu /5/, kter² sest v ze zdroje /2/ stejnosm rn ho proudu a galvaniza n l zn /20/ s odporem /R.sub.B.n./ l zn se pomoc prvku /1/, s v²hodou proudov ho transform toru za°azen ho v s rii s galvaniza n l zn /20/, zav d induk n cestou impulzn kompenza n proud I.sub.K.n. p lovan² tak, e proud l zn , kter² je dod v n ze zdroje /2/ stejnosm rn ho proudu, je kompenzov n nebo p°ekompenzov n. Prim rn vinut /7/ proudov ho transform toru /1/ m vy po et z vit ne sekund rn vinut /6/. Prim rn vinut /7/ je nap jeno impulzy vysok ho nap t s pom rn mal²m proudem. Vysok² impulzn proud na sekund rn stran kompenzuje p°echodn impulzn stejnosm rn² galvaniza n proud. Kompenzace m e init n kolikan sobek galvaniza n ho proudu, tak e vznikaj demetaliza n impulzy s v t amplitudou. Okruh kompenza n ho proudu se uzav r nab jen m a vyb jen m kondenz toru /10/.\

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu a zapojení pro vytváření proudových impulzů pro elektrolytické vylučování kovů. Jedná se o vytváření krátkých, cyklicky se opakujících unipolámích nebo bipolámích impulzních proudů I_G, Ie pro galvanizaci. Impulzní proudy mají mít vysokou intenzitu a vysokou strmost hran. Vynález se dále týká zapojení pro galvanizaci, kterým se mohou vytvářet krátké, cyklicky se opakující unipolámí nebo bipolámí impulzní proudy Ig, Ie, které sestává z galvanizační lázně s odporem Rb lázně, zapojené v galvanizačním stejnosměrném proudovém obvodu obsahujícím zdroj stejnosměrného proudu, zejména k provádění tohoto způsobu. Způsob a zapojení jsou vhodné 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 impulzních proudů. Týká se to chemických a fyzikálních vlastností vylučovaných vrstev. Týká se to však rovněž rovnoměrnosti tloušťky vrstvy kovu na povrchu galvanizovaného předmětu, tak zvaného rozptylu. Tyto vlastnosti jsou ovlivňovány následujícími parametry impulzního galvanizačního proudu:

frekvence impulzů délka impulzů mezera mezi impulzy amplituda impulzů doba nárůstu impulzu doba poklesu impulzu polarita impulzů (galvanizování, demetalizace)

V dokumentu DE 27 39 427 Al je popsána galvanizace impulzním proudem lázně. Unipolámí impulzy zde mají délku maximálně 0,1 ms. Variabilní je délka impulzů, mezera mezi impulzy a amplituda impulzů. K vytváření těchto impulzů se používají polovodičové spínače, zde tranzistory. Nevýhodou přitom je, že při použití spínacích tranzistorů je z technických a ekonomických důvodů omezen maximálně použitelný impulzní proud lázně. Horní hranice leží přibližně na několika stovkách ampérů.

Tyto nedostatky odstraňuje způsob, který je popsán v dokumentu DE 40 05 346 Al. K vytváření proudových impulzů se zde jako rychlé spínací prvky používají odpojitelní tyristory (GTO: Gate tum off thyristor). Technicky proveditelné GTO jsou vhodné pro proudy až 1000 A a více.

V obou případech se v případě potřeby bipolámích impulzů 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 kpřepólování 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 impulzech 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

-1 CZ 290052 B6 z důvodu požadované přesnosti, to jest 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 1000 A, činí napětí v propustném směru U_F 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 P_v = U_F x Ig, kde Ig je galvanizační proud. Při Iq - 1000 A dosahuje ztrátový výkon Pv hodnoty 1000 až 2000 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 impulzů.

Galvanizační zařízení sestává zvíce 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 impulzů se velmi podstatně zvýší množství mědi, která se vylučuje v jemných otvorech desek plošných spojů. Jako mimořádně účinné se ukázalo, jestliže se cyklicky střídá polarita impulzů. Při katodické polaritě galvanizovaného předmětu se pracuje s proudovými impulzy o délce 10 ms. Po tomto impulzu může následovat anodický impulz o délce jedné milisekundy. Při impulzním 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 impulzů probíhá proces demetalizace s podstatně vyšší proudovou hustotou než během katodických impulzů. 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 sjmenovitým proudem vždy 1000 A, tedy celkem 10 zdrojů s celkem 10000 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 impulz, to jest galvanizační impulz, o délce t = 10 ms a záporný impulz, to jest demetalizační impulz, s podstatně vyšší amplitudou a délkou t = 1 ms. Zanedbávají se přitom nepřesnosti v důsledku malé strmosti hran impulzů. 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 uvedených napětích v propustném směru U_F:

(2 V + 1 V + 2 V) x 1000 A = 5000 W. Po dobu 1 ms jsou pak otevřeny polovodičové prvky 7 a 8, kterými podle výše uvedeného prochází čtyřnásobný proud. Ztrátový výkon zde činí P_v = (2 V + 2 V) x 4000 A = 16000 W. Střední ztrátový výkon vysokoproudého spínače při 11 ms dlouhém cyklu tedy činí kolem 6000 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

-2CZ 290052 B6 pro kyselé mědící lázně předpokládají 2 V při galvanizaci a 7 V při demetalizaci. Střední hodnota celkového výkonu na lázni činí při impulzní galvanizaci přibližně 4, 5 kW (po dobu 10 ms 2 V x 1000 A a po dobu 1 ms 7 V x 4000 A). Při porovnání s výše vypočtenými ztrátami ve výši 6 kW je samotná účinnost vysokoproudových spínačů, vztaženo na celkový výkon lázně, zřetelně pod 50 %.

Galvanizační zařízení, které je takto vybaveno elektronickými spínači vysokých proudů, pracuje zcela nehospodámě. Kromě toho je zde velmi vysoká technická náročnost elektronických spínačů a jejich chlazení. To má za důsledek, že taková impulzní 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 impulzů 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 vysokou frekvenci spínání ve výši 100 Hz. Z uvedených technických důvodů se použití známé impulzní galvanizace omezuje na speciální aplikace a zejména na impulzní proudy, které patří z galvanotechnického 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 bipolámí impulzní proudy s vysokou intenzitou, aniž by se projevovaly výše uvedené nedostatky, zejména aniž by vytváření impulzů 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 unipolámích nebo bipolámích impulzních proudů Iq, 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 impulzní kompenzační proud I_K polovaný tak, že proud lázně, který je dodáván ze zdroje stejnosměrného proudu, je kompenzován nebo překompenzován.

Je výhodné, jestliže zmíněný prvek je tvořen transformátorem.

Kompenzační proud I_K vede 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 unipolámích proudových impulzů se amplituda impulzního kompenzačního proudu I_K nastavuje nejvýše stejně velká jako amplituda proudu lázně, který je dodáván ze zdroje stejnosměrného proudu.

K vytváření bipolámích proudových impulzů se amplituda impulzního kompenzačního proudu I_Knastavuje větší než hodnota proudu lázně, který je dodáván ze zdroje stejnosměrného proudu.

-3 CZ 290052 B6

Amplituda impulzního proudu I_E pro demetalizaci se přitom nastavuje větší než amplituda impulzního proudu I_G pro metalizaci a délka impulzů proudu I_E se nastavuje menší než délka impulzů proudu Iq.

Při odděleném elektrolytickém napájení přední a zadní strany galvanizovaného předmětu impulzním proudem se impulzy se shodným opakovacím kmitočtem na obou stranách nastavují s výhodou synchronně.

Mezi impulzními 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 série s galvanizační lázní, se s výhodou použije proudový transformátor s prstencovým jádrem.

Předmětem vynálezu je rovněž zapojení pro galvanizaci pro provádění uvedeného způsobu, kterým se mohou vytvářet krátké, cyklicky se opakující unipolámí nebo bipolámí impulzní proudy Iq, I_e, které sestává z galvanizační lázně s odporem Rb lázně, zapojené v galvanizačním stejnosměrném proudovém obvodu, obsahujícím zdroj stejnosměrného proudu, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že v galvanizačním stejnosměrném proudovém obvodu je v sérii s galvanizační lázní zapojen prvek, který indukčně spojuje galvanizační obvod s výkonovým impulzním zdrojem pro generování impulzního kompenzačního proudu I_K.

V galvanizačním stejnosměrném proudovém obvodu je s výhodou ke zdroji stejnosměrného proudu paralelně připojena kapacita.

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 vyšší počet závitů než sekundární vinutí.

Vynález tedy spočívá vtom, 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, impulzní kompenzační proud I_K 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 impulzy mohou mít v závislosti na převodovém poměru tohoto proudového transformátoru malý proud při vysokém napětí. Indukované nízké impulzní sekundární napětí pak lázní protlačuje vysoký kompenzační proud. K uzavření proudového obvodu pro impulzní 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 unipolámí a bipolámí průběhy galvanizačního proudu, jak se tyto obvykle používají v praxi;

-4CZ 290052 B6

- na obr. 2a a 2b zapojení pro dodávání kompenzačního proudu do hlavního proudového okruhu, obr. 2a se týká galvanizace a obr. 2b demetalizace;

- na obr. 3 schematický proudový diagram proudu v lázni při použití zapojení znázorněného na obr. 2;

- na obr. 4a průběhy napětí v hlavním proudovém okruhu se zohledněním dob nárůstu a poklesu;

- na obr. 4b elektrické schéma s vyznačením potenciálů;

-na obr. 5 možné zapojení regulace proudového transformátoru;

- na obr. 6 celkové zapojení pro použití při galvanizaci desek plošných spojů;

- 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 unipolámí, což znamená, že se nepřepólovává směr proudu. Časová délka impulzů je s výhodou v rozsahu 0,1 ms až sekund. Přerušení jsou přiměřeně kratší. Na obr. lc je znázorněn impulzní unipolámí proud s různými amplitudami. Na obr. Id je znázorněn bipolámí, to jest krátkodobě přepólovávaný impulzní 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 lOms a době demetalizace 1 ms je výrazný přebytek náboje pro galvanizaci nad nábojem pro demetalizaci. Tento tvar impulzů je vhodný zejména pro oboustrannou galvanizaci desek plošných spojů s jemnými otvory. Na obr. le je znázorněn průběh s dvojím tvarem impulzů, kterého se má dosáhnout způsobem podle vynálezu. Unipolámí impulzy se zde střídají s bipolámími impulzy.

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. Impulzní proudy naproti tomu obsahují střídavé proudy. S rostoucí strmostí čel impulzů roste podíl vysokých kmitočtů střídavých proudů. Při strmých čelech jsou krátké doby nárůstu a zanikání impulzu. Indukčnosti v přívodech představují pro tyto střídavé proudy indukční odpory, kterými se protahují čela impulzů. Tyto jevy se však v dalším neuvažují, protože jsou nezávislé na způsobu vytváření impulzů a tudíž vždy stejné, pokud se nepoužijí nějaká zvláštní opatření. Nejjednodušší opatření spočívá vtom, 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 impulzního 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 R_B lázně, spojen elektrickými

-5CZ 290052 B6 vodiči 3. V tomto hlavním proudovém obvodu 5 je v sérii s elektrolytickou lázní 4 zapojeno sekundární vinutí 6 proudového transformátoru L Primární vinutí 7 proudového transformátoru 1 je napájeno výkonovým impulzním zdrojem 8, který je napájen ze síťové přípojky 9. Průběhy proudu a napětí impulzů 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 nabit na napětí U_c » U_Gr. Napětí U_TS 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 R_B lázně napětí U_Gr usměrňovače, které protlačuje galvanizační proud I_G. 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 demetalizace. Potenciály se již nemohou uvažovat staticky. Proto jsou na obr. 2b v závorkách uvedeny potenciály na časovém konci demetalizačních impulzů. Výchozím bodem jsou potenciály z obr. 2a. Výkonový impulzní 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 impulzního sekundárního napětí U_TS, které je schopno protlačit požadovaný kompenzační proud I_K. Kondenzátor C je dále s časovou konstantou τ = R_B x C nabíjen, vycházejíc z napětí Uc = U_Gr, napětím Uts- Nabíjecím proudem je kompenzační proud I_K a současně demetalizační proud I_E. 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 vmůstkovém zapojení, se po dobu demetalizace samočinně odpojuje, protože v důsledku nabití platí, že U_G > U_Gr. 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 I_GR, do hlavního proudového obvodu 5 automaticky žádný proud. Po proudové kompenzaci je však do elektrolytické lázně 4 znovu dodáván proud ze zdroje 2 stejnosměrného proudu. Pro zabránění 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 1L Po dráze přes proudový transformátor 1 se dodává energie pro demetalizaci. Vysoký, avšak v čase krátký demetalizační proud I_E 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 I_K= 4000 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 1000 V. Výkonový impulzní zdroj 8 je tedy třeba konstruovat na vysoké napětí a poměrně malé impulzní 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 impulzů je ve srovnání se známými způsoby velmi malý. Rozdíl je patrný již z výpočtu hlavních ztrát: Ve výkonovém impulzním zdroji 8 pro generování primárních proudových impulzů, který mimo jiné obsahuje elektronické spínače s napětím v propustném směru U_E = 2 V, činí ztrátový spínací výkon P = 40Ax2Vx (přibližně) 10 % poměrná délka impulzu = 8 W. Podobně je zapotřebí 8 W pro sycení proudového transformátoru 1 při opačném průtoku proudu proudovým transformátorem L Pro deset napájecích zařízení pro elektrolytické lázně 4 vyjde celkový ztrátový výkon přibližně 160 W. Pro srovnání celkových

-6CZ 290052 B6 spínacích ztrát v zapojení podle vynálezu se ztrátami ve známých zapojeních se u zapojení podle vynálezu musí zahrnout i ztráty v proudovém transformátoru L 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 4000 A a napětí 7 V při poměrné délce impulzů přibližně 10 % činí celkem přibližně 560 W. Pro deset napájecích zařízení pro elektrolytické lázně 4 podle vynálezu činí celkový ztrátový výkon pro generování galvanizačního proudu 160 W ve spínačích a přibližně 5600 W v proudových transformátorech 1. Ve svém součtu činí tyto dominující ztráty přibližně 6 kW. U deseti 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 aještě vyššími demetalizačními proudy jsou zatěžovány jen pasivní prvky. Tato okolnost podstatně zvyšuje spolehlivost impulzních 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 impulzních 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 impulzní 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 ti začíná průtok kompenzačního proudu. Velikost a směr jsou určeny okamžitými napětími Uc a U_TS. V okamžiku t₂ končí průtok kompenzačního proudu. Poté následující galvanizační proud I_G je dán napětím U_GR z usměrňovače a závisí vždy také na odporu R_B lázně.

Časový průběh napětí je přesněji znázorněn v diagramech na obr. 4a a 4b. Galvanizační proud I_Gje s galvanizačním napětím U_G prakticky ve fázi a s ohledem na tento shodný průběh proto není znázorněn. V okamžiku t = 0 jsou napětí U_GR usměrňovače, napětí U_G na kondenzátoru C a také galvanizační napětí U_G přibližně stejně velká. Napětí U_Ts činí v tomto okamžiku 0 Volt.

V okamžiku ti začíná nárůst napěťového impulzu Utsi na sekundárním vinutí 6 proudového transformátoru 1. Napětí U_TSi je polováno tak, že galvanizační napětí U_Gi se stane záporným, takže se může demetalizovat. Galvanizační napětí U_G je tvořeno součtem okamžitých napětí Uc aU_TS. 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 = R_B x C. V okamžiku t₂začíná pokles napěťového impulzu Utsi· V důsledku konečné indukčnosti sekundárního obvodu proudového transformátoru 1 nekončí klesající napěťový impulz na nulové linii. V důsledku napěťové indukce se objeví opačně polované napětí U_Ts2- Toto se nyní sčítá s napětím U_G na kondenzátoru C. Na odporu R_B se objeví krátkodobé napěťové převýšení U_G2. Kondenzátor C se začne vybíjet s časovou konstantou τ - R_B x C, přičemž se nejméně zčásti nebo i úplně vybije.

V okamžiku t₃ tudíž napětí Uts činí 0 Volt. Napájení odporu R_B lázně opět převezme zdroj U_GRstejnosměrného proudu pro lázeň, takže U_G = U_GR. Napětí U_GR, U_G aU_G jsou pak opět přibližně stejně velká. Krátkodobé napěťové převýšení na odporu R_B 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 R_B lázně může v případě potřeby zajistit ochranná dioda, která se zapojí paralelně k sekundárnímu vinutí 6 nebo k jinému vinutí na jádru proudového transformátoru L Nepatrné přepětí pak trvá delší dobu. Tento popis se dále blíže nezabývá známými zapojeními indukčnosti, což platí i pro konstrukci proudového transformátoru 1, který musí být konstruován jako impulzní transformátor. Impulzy 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

-7CZ 290052 B6 mezi impulzy po každém proudovém impulzu 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 impulzy 15.

V otevřeném, to jest vodivém, stavu elektronického spínače 14 teče do sekce 1 primárního vinutí 2 proudového transformátoru 1 primární proud a pro zjednodušení zapojení teče rovněž demagnetizační proud do sekce Π 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 all 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 L Primární proud Iyp je schematicky znázorněn průběhem 18 proudu na obr. 5.

Na obr. 6 je znázorněno použití impulzních proudových jednotek 19 ve spojení s galvanizační lázní 20 se svisle uspořádanými galvanizovanými předměty. Pro přední stranu a zadní 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 impulzu pracují tyto anody 22 vůči galvanizovanému předmětu jako katody, galvanizovaný předmět je pak polován jako anoda.

Impulzní proudové jednotky 19 mohou pracovat navzájem asynchronně nebo synchronně. Pro galvanizování otvorů v deskách 21 plošných spojů je výhodné, jestliže impulzní průběhy se stejným opakovacím kmitočtem obou impulzních proudových jednotek 19 jsou synchronizovány ajestliže je zde zároveň fázový posuv těchto impulzních průběhů. Fázový posuv musí být takový, aby v průběhu fáze galvanizace na jedné straně desky 21 plošných spojů se na opačné straně objevil demetalizační impulz a obráceně. Takto se zlepší rozložení kovu, to jest galvanizace otvorů. Impulzní 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 impulzní 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.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Způsob vytváření krátkých, cyklicky se opakujících unipolámích nebo bipolámích impulzních proudů Iq, 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 R_B lázně, se pomocí prvku (1), zařazeného v sérii s galvanizační lázní (20), zavádí indukční cestou impulzní kompenzační proud Ir polovaný tak, že proud lázně, který je dodáván ze zdroje (2) stejnosměrného proudu, je kompenzován nebo překompenzován.

-8CZ 290052 B6

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že prvek (1) je tvořen transformátorem.

3. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že kompenzační proud I_K se zavádí pro nabíjení prvku (10), který slouží jako kapacita C, s výhodou kondenzátoru nebo akumulátoru.

4. 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.

5. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že k vytváření unipolámích proudových impulzů se amplituda impulzního kompenzačního proudu I_K nastavuje nejvýše stejně velká jako amplituda proudu lázně, který je dodáván ze zdroje (2) stejnosměrného proudu.

6. Způsob podle některého z předchozích nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že k vytváření bipolámích proudových impulzů se amplituda impulzního kompenzačního proudu I_Knastavuje větší než hodnota proudu lázně, který je dodáván ze zdroje (2) stejnosměrného proudu.

7. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že amplituda impulzního proudu I_E pro demetalizaci se nastavuje větší než amplituda impulzního proudu I_Gpro metalizaci a že délka impulzů proudu I_E se nastavuje menší než délka impulzů proudu Ig.

8. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že při odděleném elektrolytickém napájení přední a zadní strany galvanizovaného předmětu impulzním proudem se impulzy se shodným opakovacím kmitočtem na obou stranách nastavují synchronně.

9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že mezi impulzními proudy na přední a zadní straně galvanizovaného předmětu se nastavuje konstantní fázový posuv tak, že se zároveň nedemetalizuje na obou stranách galvanizovaného předmětu.

10. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že jako prvek (1), který je zařazen do série s galvanickou lázní (20), se použije proudový transformátor s prstencovým jádrem.

11. Zapojení pro galvanizaci, kterým se mohou vytvářet krátké, cyklicky se opakující unipolámí nebo bipolámí impulzní proudy Ig, I_e, které sestává z galvanizační lázně (20) s odporem Rs lázně, zapojené v galvanizačním stejnosměrném proudovém obvodu (5) obsahujícím zdroj (2) stejnosměrného proudu, zejména k provádění způsobu podle nároků 1 až 10, vyznačující se t í m, že v galvanizačním stejnosměrném proudovém obvodu (5) je v sérii s galvanizační lázní (20) zapojen prvek (1), který indukčně spojuje galvanizační obvod (5) s výkonovým impulzním zdrojem (8) pro generování impulzního kompenzačního proudu I_K.

12. Zapojení podle nároku 11, vyznačující se tím, že v galvanizačním stejnosměrném proudovém obvodu (5) je ke zdroji (2) stejnosměrného proudu paralelně připojena kapacita C.

13. Zapojení podle nároku 11,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 vyšší počet závitů než sekundární vinutí (6).