DE19931230A1 - Verfahren zur Galvanisier- und Ätzstrom-Erzeugung in elektrolytischen Anlagen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Elektrolysestrom in Form von unipolaren und bipolaren Strompulsen in Anlagen zum elektrolytischen Galvanisieren und Ätzen. Das Verfahren eignet sich zur Anwendung in Tauchbadanlagen und Durchlaufanlagen. Vorzugsweise wird es zur Behandlung von Leiterplatten und Leiterfolien angewendet. DOLLAR A Eine Gruppe von elektrolytischen Zellen, die jede für sich mit individuellem, bipolarem pulsförmigen Elektrolysestrom zu versorgen sind, erfordert nur zwei Galvano-Großgleichrichter. Die Ausgangsspannungen der Großgleichrichter werden höher gewählt als die erforderlichen Zellspannungen der elektrolytischen Zellen. Jeder elektrolytischen Zelle ist ein elektronischer Pulsregler zugeordnet. Im Pulsregler werden die Ausgangsgleichspannungen der Galvanogleichrichter zerhackt und entsprechend des erforderlichen, individuellen Pulsstromverlaufes und der Pulsamplituden moduliert jeder elektrolytischen Zelle zugeführt. DOLLAR A Die Erfindung erlaubt somit den wirtschaftlich vorteilhaften Einsatz von einem oder zwei Galvano-Großgleichrichtern mit hohen Ausgangsspannungen und die individuelle Einstellung der Pulsstrom-Amplituden und des zeitlichen Pulsstromverlaufes vieler Zellströme mit niedriger Zellspannung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Galvanisier- oder Ätz­ strom in Form von unipolaren Strompulsen oder bipolaren Strompulsen in Anla­ gen zum elektrolytischen Galvanisieren oder Ätzen. In Tauchbadanlagen befin­ den sich in der Regel viele elektrolytische Zellen, die jeweils mit einem indivi­ duell einstellbaren Elektrolysestrom versorgt werden müssen. Jeder elektrolyti­ schen Zelle ist in herkömmlichen Anlagen ein Galvanogleichrichter zugeordnet. Sollen die Ströme des an einem Warenträger befestigten Behandlungsgutes beidseitig unterschiedlich einstellbar sein, so sind zwei Galvanogleichrichter erforderlich. Durchlauf-Galvanisieranlagen haben im allgemeinen mehrere An­ oden und damit mehrere elektrolytische Zellen, die an beiden Seiten des Be­ handlungsgutes, das beim Galvanisierprozeß die gemeinsame Kathode bildet, angeordnet sind. Alle oberen Zellen und alle unteren Zellen werden jeweils ge­ meinsam von je einem geregelten Galvanogleichrichter mit Elektrolysestrom versorgt. Reicht dies aufgrund der Anforderungen an die Genauigkeit der Schichtdicke nicht mehr aus, muß jede Einzelzelle, z. B. bestehend aus dem kathodisch angeschlossenen Behandlungsgut und der Anode, separat geregelt werden. Jede Anode stellt zusammen mit dem zu behandelnden Behandlungs­ gut eine elektrolytische Zelle dar. Entlang des Transportweges durchfährt das Behandlungsgut bei Durchlaufanlagen nacheinander die elektrolytischen Zellen, die dann mit einzeln geregeltem Elektrolysestrom zu versorgen sind. Das Ver­ fahren eignet sich zum elektrolytischen Ätzen und zum Galvanisieren. Anwen­ dung findet es vorzugsweise zum Behandeln von Leiterplatten und Leiterfolien.

Beim Ätzen ist das Behandlungsgut überwiegend oder vollständig anodisch ge­ schaltet. Es bildet die Anode der elektrolytischen Zelle. Die einzelnen Elektro­ den sind in diesem Falle kathodisch geschaltet. In der Leiterplattentechnik dient das Ätzen mittels Strompulsen zum Beispiel zur Beeinflussung der Oberflä­ chenstruktur. Die Haftfestigkeit des in einem nachfolgenden Prozeßschritt auf­ zubringenden Photoresistes wird damit verbessert. Die Anwendung der Puls­ stromtechnik beim Galvanisieren dient u. a. zur Beeinflussung der physikali­ schen Eigenschaften der elektrolytisch abzuscheidenden Metallschichten. Des weiteren dient es im Vergleich zum Galvanisieren mit Gleichstrom zum Steigern der Leistung von Galvanisieranlagen bei gleichzeitiger Verbesserung der Qua­ lität der Abscheidungsgeometrie. Insbesondere lassen sich mit Pulsströmen die Bohrlochstreuung und die Kanteneffekte vorteilhaft beeinflussen.

Beim Galvanisieren mit bipolarem Pulsstrom ist das Behandlungsgut überwie­ gend kathodisch und kurzzeitig anodisch geschaltet. Entsprechend sind die Gegenelektroden anodisch und kurzzeitig kathodisch geschaltet. Zur Vereinfa­ chung der nachfolgenden Beschreibung, der Patentansprüche und der Figuren wird das Behandlungsgut nur noch als Kathode bezeichnet wird. Die Gegene­ lektrode wird demnach immer als Anode bezeichnet. Dieser Fall gilt für das Galvanisieren. Die Erfindung erstreckt sich aber auch auf das Ätzen, das mit umgekehrten Polaritäten der Stromquellen arbeitet. Unter Elektrolysestrom soll allgemein ein unipolarer oder bipolarer Pulsstrom verstanden werden.

In der Patentschrift DE 197 07 905 C1 wird ein Verfahren zur Pulsstromver­ sorgung von Galvanisieranlagen mit mehreren elektrolytischen Zellen beschrie­ ben. An der Anode jeder Zelle ist ein bipolarer Pulsschalter zur Erzeugung ei­ nes bipolaren Pulsstromes angeschlossen. Eingangsseitig sind alle Pulsschal­ ter einer Gruppe von Anoden an gemeinsame Badstromversorgungsgeräte, sogenannte Galvanogleichrichter angeschlossen. Die Anoden einer Gruppe sind praktisch parallel geschaltet. Dieser technisch einfache und kostengünstige Aufbau erlaubt jedoch infolge der Parallelschaltung keine individuelle Stromein­ stellung von Anode zu Anode. Die Ausgangsspannungen der Galvanogleich­ richter und damit die Ströme der Anoden sind nur auf einen gemeinsamen Wert einstellbar. Hierzu hat jede Anodengruppe einen Galvanogleichrichter mit einem Ausgangsstrom, der von Null bis zum Nennstrom veränderlich ist. Ferner ist zur Erzielung einer kurzen Pulsanstiegszeit die Induktivität der elektrischen Verbin­ dungen vom Pulsschalter zur elektrolytischen Zelle klein zu halten. Für den bi­ polaren Pulsbetrieb von beidseitig getrennt zu galvanisierenden Leiterplatten sind vier Galvanogleichrichter mit variablem Ausgangsstrom erforderlich. Infolge der üblicherweise sehr hohen Galvanisierungsströme, die direkt von den Gal­ vanogleichrichtern erzeugt werden, sind die elektrischen Leiter vom Galvano­ gleichrichter bis zu den Pulsschaltern mit einem sehr großen Leiterquerschnitt zu dimensionieren.

Insbesondere in Tauchbadanlagen wird in der Praxis oft Behandlungsgut mit unterschiedlichen Flächen elektrolytisch bearbeitet. Dies erfordert unter­ schiedliche Galvanisierströme in den einzelnen Zellen. Die Parallelschaltung der Anoden ist dafür ungeeignet. Auch in Durchlaufanlagen besteht ein Bedarf an unterschiedlichen Strömen in den einzelnen elektrolytischen Zellen. Bei­ spielsweise kann eine beim Galvanisieren zunehmend dicker werdende Metall­ schicht mit einem zunehmenden Galvanisierstrom belastet werden, ohne daß sogenannte Anbrennungen an den Oberflächen des Behandlungsgutes auftre­ ten. Zur Leistungssteigerung der Durchlaufanlage besteht daher aus den vorher genannten Gründen der Bedarf, die Ströme einzelner Anoden individuell ein­ stellen zu können. Auch zur Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften der zu behandelnden Metallschicht ist es vorteilhaft, wenn die Ätz- und Galvani­ sierströme während des Behandelns individuell einstellbar sind. Wenn dafür für jede elektrolytische Zelle bei unipolaren Strompulsen ein Galvanogleichrichter und bei bipolaren Strompulsen zwei Galvanogleichrichter verwendet werden müssen, um die individuelle Elektrolysestromeinstellung zu erreichen, so gehen die Vorteile des Verfahrens der genannten Patentschrift, nämlich der technisch einfache Aufbau und die niedrigen Kosten, teilweise verloren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein wirtschaftlich günstiges Verfahren zur indivi­ duellen Elektrolysestromeinstellung einzelner elektrolytischer Zellen in Tauch­ badanlagen und in Durchlaufanlagen mit mehreren elektrolytischen Zellen an­ zugeben. Gelöst wird die Aufgabe durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren.

Besonders vorteilhaft einsetzbar ist die Erfindung überall dort, wo Behand­ lungsgut mit ständig wechselnder Geometrie und Oberfläche in vielen elektroly­ tischen Zellen individuell zu behandeln ist. Dies erfordert unterschiedliche Elek­ trolyseströme in den elektrolytischen Zellen, die erfindungsgemäß mit nur ei­ nem oder zwei Galvanogleichrichtern realisiert werden. Dabei ist wegen der höheren Spannung des Zwischenspannungskreises oder der Zwischenspan­ nungskreise eine preisgünstigere Verkabelung mit kleineren Kabelquerschnitten möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend detailliert beschrieben. Hierzu dienen auch die Fig. 1 bis 4.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei Galvanogleichrichtern am Beispiel einer Tauchbadanlage.

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Pulsreglers.

Fig. 3 zeigt das Pulsdiagramm für den Pulsregler gemäß Fig. 2 am Beispiel der Pulsbreitenmodulation.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild des Verfahrens und die Anordnung der An­ oden und Kathoden. Das Behandlungsgut ist mit der Bezugszahl 1 bezeichnet. Es befindet sich in einer Tauchbadanlage 2. Die Anoden 4 sind beidseitig vom Behandlungsgut angeordnet. Die elektrolytischen Zellen 5 werden gebildet von den Oberflächen des Behandlungsgutes 1 und von den Anoden 4. Der Badbe­ hälter 6 ist mit Elektrolyt bis oberhalb der Anoden 4 gefüllt. Die Elektroden, das heißt die Anoden 4 und das Behandlungsgut 1 jeder elektrolytischen Zelle 5 sind elektrisch an einen Pulsregler 7 über Kabel angeschlossen. Bei Tauchbad­ anlagen bestehen die Anschlußelemente u. a. aus Klammern, die das Behand­ lungsgut festklemmen, aus Warenträgern, die das Behandlungsgut tragen, An­ odenträgern, an denen die Anoden befestigt sind, und aus Kabeln und/oder Hochstromschienenleitem. Alle diese Verbindungen wirken elektrisch als ein Widerstand. Der Widerstand hat ohmsche Anteile (R) und induktive Anteile (L). Von Leiter zu Leiter und in der elektrolytischen Zelle ist eine Kapazität (C) wirk­ sam. Diese verteilten Wirk- und Blindwiderstände verhindern schnelle Stromän­ derungen in den Leitern nach den Formeln Tau = R*C und Tau = L/R. Tau ist die Zeitkonstante der Spannungsänderung bzw. der Stromänderung an der Last bei sich sprungartig ändernder treibender Spannung. Die üblicherweise vorkom­ menden kleinen Blindwiderstände (L, C) wirken sich schon deutlich verzögernd auf die Pulsflanken des Galvanisierstromes aus. Deshalb ist es im allgemeinen vorteilhaft, wenn die Pulsregler 7 räumlich nahe an den elektrolytischen Zellen 5 angeordnet werden. Alle Pulsregler 7 sind eingangsseitig parallel geschaltet und an gemeinsame Galvanogleichrichter angeschlossen, die mit 3 und 8 be­ zeichnet sind. Die Galvanogleichrichter werden aus Kostengründen ohne die übliche Verstelleinrichtung der Ausgangsspannung für eine Festspannung di­ mensioniert. Sie bestehen im wesentlichen aus je einem Netztransformator und aus Gleichrichterdioden. Die Netztransformatoren transformieren die hohe und bei Berührung durch das Personal gefährliche Netzspannung auf eine niedrige ungefährliche Spannung herunter. Zugleich bewirken sie eine sichere elektri­ sche Trennung des Netzes von den elektrolytisch wirksamen Komponenten. Die Höhe der Sekundärspannungen werden vorteilhafterweise maximal so hoch gewählt, daß die zulässige Berührungsspannung nicht überschritten wird. In diesem Falle können aufwendige Isolierungsmaßnahmen zum Schutz des Per­ sonals entfallen.

In Fig. 1 und in den weiteren Figuren sind die Galvanogleichrichter zur Ver­ einfachung der Zeichnung einpolig dargestellt. Wegen der in der Praxis vor­ kommenden hohen Leistungen werden Galvanogleichrichter eingangsseitig überwiegend dreiphasig ausgelegt. Die Höhe der Ausgangsgleichspannungen der Galvanogleichrichter 3 und 8 muß größer sein, als die größte vorkommende Zelispannung in den elektrolytischen Zellen 5. Ausreichend sind hierfür in der Praxis 10% über der Zellspannung. Mit zunehmender Spannung sinkt jedoch in vorteilhafter Weise bei gleichbleibendem Energiebedarf der mittlere Strom. Ent­ sprechend kleiner können die elektrischen Leiterquerschnitte gewählt werden. Obwohl nach oben grundsätzlich keine Grenze besteht, ist es zweckmäßig, die Ausgangsspannungen der Galvanogleichrichter 8, 3 nicht höher zu dimensio­ nieren, als die zulässige Berührungsspannung. In einer naßchemischen Ätz- oder Galvanisieranlage sind elektrische Isolierungsmaßnahmen aufwendig. Zweckmäßig werden 42 Volt bis maximal 60 Volt gewählt. Die notwendige gal­ vanische Trennung vom speisenden Wechselstromnetz erfolgt an nur einer Stelle mittels der Festtransformatoren im Galvanogleichrichter 8, 3. Es ist nicht zwingend notwendig, diese Galvanogleichrichter mit fester Ausgangsspannung zu dimensionieren. Eine variable Ausgangsspannung erlaubt es, die Spannung bei momentan geringem Strombedarf in den elektrolytischen Zellen 5 abzusen­ ken. Die Welligkeit des Badstromes läßt sich damit infolge einer längeren Stromflußzeit, wie noch gezeigt wird, verringern. Der hierfür erforderliche we­ sentlich größere Aufwand ist jedoch nur in Ausnahmefällen sinnvoll. Werden kurze Pulsanstiegszeiten und Pulsabfallzeiten benötigt, so ist die Ausgangs­ spannung der Galvanogleichrichter 3, 8 wesentlich höher zu wählen, als die erforderliche Zellspannung. Mit zunehmender Ausgangsspannung nimmt aber auch die Welligkeit des Elektrolysestromes zu. Eine 2- bis 10-fach höhere Aus­ gangsspannung erfüllt in der Praxis die Forderungen nach Flankensteilheit und geringer Welligkeit.

Die Ausgangsspannungen der Galvanogleichrichter 3, 8 sind Eingangsspan­ nungen aller Pulsregler 7. Diese Spannungen sollen nachfolgend als Gleich­ strom- Zwischenkreisspannung kurz Zwischenkreisspannung U_ZW bezeichnet werden. Entsprechend heißt der zugehörige Strom kurz Zwischenkreisstrom I_ZW. Die Zwischenkreisspannungen werden durch Kondensatoren 20, 21 elek­ trisch gestützt. Diese Stützkondensatoren sind in der Nähe der Pulsregler 7 an­ geordnet.

Der Pulsregler 7 dient als Tiefsteller der Zwischenkreisspannung. Er zerhackt die Zwischenkreisspannung mittels elektronischer Schalter. Das heißt, sie wird in einer definierten Folge von kurzen Zeitabschnitten mittels dieser Schalter mit der Last, nämlich der elektrolytischen Zelle 5 verbunden. Das Zerhacken erfolgt in der Praxis mit einer Taktfrequenz im Bereich von 10 kHz bis 100 kHz. Bei Verfügbarkeit von entsprechenden Leistungshalbleitern sind auch Taktfrequen­ zen von 1 MHz und mehr anwendbar. Aus Preis I Leistungsgründen wird eine Taktfrequenz im Bereich von 20 kHz bis 60 kHz bevorzugt gewählt. Die mittels der elektronischen Schalter 10, 11 zerhackte und modulierte Zwischen­ kreisspannung Uzw liegt am Ausgang des Pulsreglers 7 an. Der zu regelnde Ausgangsstrom ist eine Funktion der Modulation. Mittels bekannter Modulati­ onsverfahren wird der Ausgangsstrom in Polarität und Amplitude als Funktion der Zeit geregelt, das heißt es werden Pulsströme generiert. Dieser Ausgangs­ strom ist der Elektrolysestrom. Zur Modulation eignen sich Modulationsverfah­ ren, wie Frequenzmodulation der Taktfrequenz sowie Pulsbreitenmodulation mit konstanter Taktfrequenz.

Die zerhackte und modulierte Ausgangsspannung treibt über die oben be­ schriebenen Blindwiderstände der elektrischen Leiter und der elektrolytischen Zelle den Elektrolysestrom. Die Blindwiderstände wirken insbesondere bei einer hohen Taktfrequenz als Filter zur Stromglättung, das heißt zur Verringerung der Stromwelligkeit. Bei sehr kurzen Verbindungsleitungen zwischen dem Pulsreg­ ler 7 und der elektrolytischen Zelle 5 kann die serielle Einfügung einer zusätzli­ chen Drosselspule 9 zur Verringerung der Stromwelligkeit erforderlich sein.

Einzelheiten des Pulsreglers 7 zeigt die Fig. 2. Zwei elektronische Schalter 10, 11 erzeugen den bipolaren Elektrolysestrom unter Verwendung von zwei Gal­ vanogleichrichtern. Die elektrolytische Zelle ist hier als Ersatzwiderstand R_zelle mit der Bezeichnung 14 dargestellt. Die Anode und die Kathode sind mit A und K bezeichnet. Die durch die Bauteile und Kabel gebildeten verteilten Kapazitä­ ten sind als ein Kondensator 15 zusammengefaßt dargestellt. Die Schalter 10 und 11 werden von einer Steuereinheit 16 im Rhythmus der modulierten Takt­ frequenz angesteuert. Die Steuereinheit 16 ihrerseits wird von der zentralen Galvanoanlagensteuerung CONTROL mit den Sollstromdaten einschließlich der Polaritäten und mit den Sollpulszeiten versorgt. Zugleich werden die lstdaten wie Ströme und Spannungen an die Anlagensteuerung fortlaufend zurückge­ meldet. Die Spannung U_z ist die Zellspannung 17. Die Shuntspannung U_S bildet den Zellstrom I_z 18 ab.

Zwischen dem gemeinsamen Bezugspotential der Gleichspannungszwischen­ kreise und dem Pulsreglerausgang sind Freilaufschaltelemente 25 und 26 ein­ gefügt. Sie verhindern mögliche Überspannungen an den Gleichspannungszwi­ schenkreisen infolge der Schaltvorgänge der elektronischen Schalter 10 und 11 in Verbindung mit der Induktivität 9. Wegen der Vermeidung überhöhter Span­ nungen wird auch die Welligkeit des Laststromes klein gehalten.

Wenn der elektronische Schalter 10 Strom führt, ist im elektronischen Freilauf­ schaltelement 25 die Diode leitfähig gepolt und im Freilaufschaltelement 26 ist der elektronische Schalter leitend gesteuert. Führt der elektronische Schalter 11 Strom, sind die Freilaufschaltelemente 25, 26 umgekehrt leitfähig gesteuert. Die zeitgerechte Steuerung aller Schaltelemente erfolgt durch die Steuereinheit 16.

In Fig. 1 sind die Freilaufschaltelemente zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt.

Die Fig. 3 zeigt die Schaltvorgänge im Pulsregler 7 und den dadurch erzeug­ ten pulsförmigen bipolaren Elektrolysestrom. Die elektronischen Schalter 10 und 11 schalten moduliert die positive und die negative Zwischenkreisspannung an den Ausgang 22 des Pulsreglers 7. Durch die ON- und OFF-Zeiten der elek­ tronischen Schalter 10, 11 werden die mittleren Ausgangsspannungen beein­ flußt. Diese Ausgangsspannungen bestimmen zusammen mit den Wirk- und Blindwiderständen des Stromkreises der elektrolytischen Zelle die Höhe des Elektrolysestromes. Dies ist nahezu unabhängig von der Höhe der Zwischen­ kreisspannung. Der elektronische Schalter 10 regelt den positiven Elektroly­ sestrom. Der elektronische Schalter 11 regelt den negativen Elektrolysestrom. Beim Polaritätswechsel bewirkt eine hohe Zwischenkreisspannung eine beson­ ders schnelle Pulsflanke zusammen mit der Einschaltdauer des entsprechen­ den elektronischen Schalters. Mittels der Einschaltdauer der elektronischen Schalter 10, 11 wird die Kurvenform des Ausgangsstromes in der Amplitude, in der Polarität und im Zeitverhalten moduliert. Dies geschieht für jeden Pulsregler und damit für jede elektrolytische Zeile individuell. Eingangsseitig sind alle Puls­ regler 7 einer Gruppe von elektrolytischen Zellen an eine gemeinsame Zwi­ schenkreisspannung gleicher Polarität angeschlossen. Dies ermöglicht die Verwendung der Gleichrichter 3, 8 mit großer Leistung. Der Pulsregler 7 wird von der Energiespeisung, das heißt vom Galvanogleichrichter räumlich ge­ trennt. Der Vorteil ist, daß das Volumen der Pulsregler 7 wesentlich kleiner wird. Die Pulsregler 7 können damit näher an den elektrolytischen Zellen angeordnet werden. Dies reduziert die Blindwiderstände der elektrischen Leiter vom Puls­ regler 7 zur elektrolytischen Zelle. Entsprechend kürzere Pulsanstiegszeiten werden erzielt. Insgesamt ist dies wesentlich kostengünstiger, als die Verwen­ dung von je einem Galvanogleichrichter zur Speisung eines individuellen Zwi­ schenkreises für jeden Pulsregler. Wird die Zwischenkreisspannung hoch ge­ wählt, so reduzieren sich die Ausgangsströme der Galvanogleichrichter 3 und 8. Entsprechend verringern sich die Kupferquerschnitte der elektrischen Leiter. Die Zellspannung beträgt bei sauren Kupferbädern in der Leiterplattentechnik ca. 4 Volt. Wird eine Zwischenkreisspannung von 40 Volt gewählt, so verringern sich die Leiterquerschnitte vom Gleichrichtergerät zu den Pulsschaltern unge­ fähr um den Faktor 10.

Wesentliche Vorteile der Erfindung sind die Verwendung von Gleichrichter- Großgeräten gemeinsam für mehrere elektrolytische Zellen, Verringerung der Querschnitte der elektrischen Leiter von den Gleichrichtergeräten zu den Puls­ reglern durch die Anwendung von wesentlich höheren Zwischenkreis­ spannungen als die Zellspannungen. Dies ermöglicht zugleich die Generierung von kurzen Pulsanstiegsflanken. Vorteilhaft ist es ferner, daß die Pulsregler 7 mit kleinem Volumen in der Nähe der elektrolytischen Zellen zur Verringerung der Wirk- und Blindwiderstände angeordnet werden können und daß alle Elek­ trolyseströme individuell einstellbar sind. Die Fig. 3 zeigt die Pulsdiagramme für den Pulsregler 7 am Beispiel der Pulsbreitenmodulation. Das obere Dia­ gramm zeigt den Verlauf des bipolaren Elektrolysestromes 24 eines Pulsreglers 7. Das Schaltdiagramm 27 zeigt das Takten des positiven elektronischen Schalters. Entprechend gilt das Schaltdiagramm 28 für den negativen elektroni­ schen Schalter. Im unteren Teil der Fig. 3 sind diese Steuersignale zur An­ steuerung der elektronischen Schalter 10 und 11 dargestellt. Die Steuersignale werden in der Steuereinheit 16 so synchronisiert gebildet, daß unter Vermei­ dung eines Kurzschlusses der Zwischenkreisspannungen, der elektrolytisch erforderliche pulsförmige Stromverlauf generiert wird. Dieser Stromverlauf ist im oberen Teil der Fig. 3 dargestellt. Zur Verdeutlichung sind hier die Pulsflan­ ken mit großen Anstiegszeiten dargestellt. Zu erkennen ist im Bereich 23, daß bei konstanter Taktfrequenz mit zunehmender Pulsbreite die Amplituden zu­ nehmen. Einen Sonderfall stellen die Pulsflanken dar. An diesen Flanken wer­ den die elektronischen Schalter zur Verkürzung der Pulsanstiegszeit solange eingeschaltet, bis die Sollamplitude des Pulsstromes erreicht ist. Dadurch wird insbesondere bei einer hohen Zwischenkreisspannung U_zw eine steile Pulsflan­ ke erzielt. Dies erlaubt die Anwendung von kurzen Pulsen zum Galvanisieren. In der Praxis werden damit Rechteckpulse mit Pulsbreiten von 0,5 Millisekun­ den und weniger erreicht. Die Pulsanstiegszeiten liegen bei 0,1 bis 0,2 Millise­ kunden. Beim Pulsgalvanisieren wird periodisch in einer kurzen Zeit mit hoher Amplitude, das heißt mit hoher Stromdichte entmetallisiert und in einer wesent­ lich längeren Zeit mit einer geringeren Amplitude galvanisiert. Die Pulszeiten und Pulsamplituden bewegen sich zum Beispiel beim Galvanisierprozeß an­ odisch im Bereich von 0,3 ms bis 100 ms und kathodisch im Bereich von 1 ms bis 1000 ms. Das Amplitudenverhältnis anodisch: kathodisch bewegt sich in der Praxis zwischen 1 und 10.

Bei unipolaren Elektrolyse-Strompulsen entfällt der zweite Galvanogleichrichter und damit auch die zweite Zwischenkreisspannung. Im Falle des Galvanisie­ rens entfällt die in den Figuren dargestellte negative Spannung.

Die Pulsregler können untereinander mit gleichen Pulsfrequenzen oder unter­ schiedlichen Pulsfrequenzen betrieben werden. Bei gleicher Pulsfrequenz kön­ nen die Pulse eines Pulsreglers oder einer Gruppe von Pulsreglern zu den gleichfrequenten Pulsen eines anderen Pulsreglers oder einer zweiten Gruppe von Pulsreglern phasenverschoben betrieben werden. Damit lassen sich insbe­ sondere die Bohrlochstreuungen der Leiterplatten vorteilhaft beeinflussen.

Bezugszeichenliste

1

Behandlungsgut

2

Durchlaufanlage

3

Galvanogleichrichter negativ

4

Anoden

5

elektrolytische Zeile

6

Badbehälter

7

Pulsregler

8

Galvanogleichrichter positiv

9

Drosselspule

10

elektronische Schalter positiv

11

elektronische Schalter negativ

12

Freilaufdiode im elektronischen Schalter, positiv

13

Freilaufdiode im elektronischen Schalter, negativ

14

Ersatzwiderstand R_Zelle

für die Last

15

parasitäre Kondensatoren

16

Steuereinheit

17

Zellspannung U_Z

18

Zellstrom I_Z

19

Shunt

20

Kondensator für U_ZW

+

21

Kondensator für U_ZW

-

22

Ausgang des Pulsreglers

23

Pulsbereich

24

bipolarer Elektrolysestrom

25

Freilaufschaltelement a

26

Freilaufschaltelement b

27

Schaltdiagramm positiv

28

Schaltdiagramm negativ

Claims (22)

1. Verfahren zur Erzeugung von bipolaren Pulsströmen in elektrolytischen An­ lagen mit mehreren elektrolytischen Zellen zum Ätzen und Galvanisieren von Behandlungsgut mit individuell einstellbaren Pulszeiten und Pulsstrom­ amplituden je Einzelzelle mit:

• a) Einem positiven und einem negativen Gleichspannungszwischenkreis, bezogen auf ein gemeinsames Bezugspotential.
• b) Zwei Galvanogleichrichtern für die Energieversorgung mehrerer elektro­ lytischer Zellen, wobei ein Gleichrichter den positiven Gleichspannungs­ zwischenkreis mit positiver Spannung versorgt und ein Gleichrichter den negativen Gleichspannungszwischenkreis mit negativer Spannung ver­ sorgt.

gekennzeichnet durch:

• a) Je einen bipolaren elektronischen Pulsregler zwischen den Ausgängen der beiden Gleichspannungszwischenkreise und jeder elektrolytischen Zelle.
• b) Einstellung der Höhe der Zwischenkreisspannungen mittels der Galva­ nogleichrichter auf Werte, die mindestens 10% höher sind, als die höch­ ste erforderliche Einzelzellspannung für den positiven und für den nega­ tiven Pulsstrom.
• c) Zerhacken und modulieren der Zwischenkreisspannungen mittels der Pulsregler.
• d) Elektrische Ansteuerung der Pulsregler derart, daß durch das Modulieren der positiven und negativen Zwischenkreisspannungen bipolare Puls­ ströme mit den für die elektrolytischen Zellen erforderlichen individuellen Pulsstromamplituden erzeugt werden.

2. Verfahren zur Erzeugung von unipolaren Pulsströmen in Anlagen mit mehre­ ren elektrolytischen Zellen zum Ätzen und zum Galvanisieren von Behand­ lungsgut mit individuell einstellbarer Pulsstromamplitude je Elektrolysezelle mit:

• a) Einem Gleichspannungszwischenkreis.
• b) Einem Galvanogleichrichter für die Energieversorgung mehrer elektroly­ tischer Zellen.
• c) Speisung des Gleichspannungszwischenkreises mit elektrischer Energie durch den Galvanogleichrichter.

gekennzeichnet durch:

• a) Je ein unipolarer elektronischer Pulsregler zwischen dem Ausgang des Gleichspannungszwischenkreises und jeder elektrolytischen Zelle.
• b) Einstellung der Höhe der Zwischenkreisspannung mittels des Galvano­ gleichrichters auf einen Wert, der mindestens 10% höher ist, als die höchste erforderliche Einzelspannung für den Pulsstrom.
• c) Zerhacken und modulieren der Zwischenkreisspannung mittels jedes Pulsreglers.
• d) Elektrische Ansteuerung der Pulsregler derart, daß durch das Modulieren der Zwischenkreisspannung unipolarer Pulsstrom mit den für die elek­ trolytischen Zellen erforderlichen individuellen Pulszeiten und Pulsstro­ mamplituden erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Modu­ lieren durch Pulsbreitenmodulation oder durch Frequenzmodulation erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Pulsregler durch die Modulation der zeitliche Verlauf, die Pola­ rität und die momentanen Amplituden des Elektrolysestromes individuell eingestellt werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2 und 3 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Pulsregler von einem übergeordneten Steuerungssystem mit den Sollwerten zur aktiven Stromregelung durch Modulation versorgt wer­ den.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenkreisspannungen in unmittelbarer räumlicher Nähe jedes Pulsreglers durch je einen Kondensator 20, 21 gestützt werden.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Galvanogleichrichter, die die Gleichspan­ nungszwischenkreise speisen, feste Ausgangsspannungen besitzen.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Galvanogleichrichter, die die Gleichspan­ nungszwischenkreise speisen, variable Ausgangsspannungen besitzen.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Maximalwerte der Zwischenkreisspannun­ gen so gewählt werden, daß zusätzliche Berührungsmaßnahmen der elek­ trischen Leiter entfallen können.

10. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zwischenkreisspannungen mindestens so hoch gewählt werden, daß die Pulsanstiegsflanken und die Pulsabfallflanken des unipolaren oder bipolaren Pulsstromes eine mehrfache zeitliche Be­ schleunigung gegenüber Zwischenkreisspannungen in Höhe der Zellspan­ nungen erfahren.

11. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die aus elektrotechnischen Sicherheitsgrün­ den erforderliche galvanische Trennung des Stromversorgungsnetzes von den elektrolytischen Zellen für jeden Gleichspannungszwischenkreis nur einmal für alle zugehörigen elektrolytischen Zellen im zugehörigen Galvano­ gleichrichter erfolgt.

12. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsregler transformatorlos aufgebaut sind und daß die Zwischenkreisspannungen mittels elektronischer Schalter in Abhängigkeit des erforderlichen Pulsstromes getaktet an den Ausgang des jeweiligen Pulsreglers geschaltet werden.

13. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur abwechselnden Erzielung beider Polari­ täten des Pulsstromes die Zwischenkreisspannungen mittels zwei elektroni­ scher Schalter abwechselnd getaktet und moduliert an den Ausgang des je­ weiligen Pulsreglers geschaltet werden.

14. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von unipolaren Strompulsen ein elektronischer Schalter intermittierend die getaktete Zwischenkreisspan­ nung moduliert an den Ausgang des jeweiligen Pulsreglers schaltet.

15. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Flankensteilheiten und die Amplituden der Strompulse durch die Modulation der getakteten Zwischenkreisspannung im Pulsregler gebildet werden.

16. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwerte der Pulsströme in den Pulsreglern gemessen und der zentralen Anlagensteuerung zurückgemeldet werden.

17. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Gruppen von elektrolyti­ schen Zellen mit zugeordneten Pulsreglern gebildet werden, die je Gruppe von mindestens einem Galvanogleichrichter mit elektrischer Energie ge­ speist werden und daß die Pulsströme jeder Gruppe bei gleicher Pulsfre­ quenz zueinander definiert phasenverschoben sind.

18. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitäten und die Kapazitäten der elektrischen Leiter vom Ausgang der Pulsregler bis einschließlich der Elek­ troden der elektrolytischen Zellen zur Glättung des Pulsstromes genutzt werden.

19. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz des Zerhackers in den Puls­ reglern mindestens dreimal so hoch ist, wie die höchste Frequenz der zu er­ zeugenden Pulsströme.

20. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Galvanogleichrichter mit fester oder varia­ bler Ausgangsspannung ausgestattet sind.

21. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannungen der Galvanogleich­ richter zur Erzielung von kurzen Pulsanstiegszeiten im Vergleich zu den er­ forderlichen Zellspannungen höher eingestellt werden, mindestens jedoch 10% höher.

22. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Überspannungen Frei­ laufschaltelemente (25, 26) in die Pulsregler eingefügt werden.