EP0868545A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur erzeugung von strompulsen zur elektrolytischen metallabscheidung - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zur erzeugung von strompulsen zur elektrolytischen metallabscheidung

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EP0868545A1
EP0868545A1 EP96934478A EP96934478A EP0868545A1 EP 0868545 A1 EP0868545 A1 EP 0868545A1 EP 96934478 A EP96934478 A EP 96934478A EP 96934478 A EP96934478 A EP 96934478A EP 0868545 A1 EP0868545 A1 EP 0868545A1
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EP
European Patent Office
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current
electroplating
pulse
bath
direct current
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EP96934478A
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EP0868545B1 (de
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Egon Hübel
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Atotech Deutschland GmbH and Co KG
Original Assignee
Atotech Deutschland GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Atotech Deutschland GmbH and Co KG filed Critical Atotech Deutschland GmbH and Co KG
Publication of EP0868545A1 publication Critical patent/EP0868545A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0868545B1 publication Critical patent/EP0868545B1/de
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/18—Electroplating using modulated, pulsed or reversing current
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D7/00—Electroplating characterised by the article coated

Definitions

  • the invention relates to a method for generating short, cyclically repeating current pulses with a large current intensity and with a steep slope. Furthermore, it relates to a circuit arrangement for electrolytic metal deposition, in particular for carrying out this method.
  • the method is used in the electrolytic metal deposition, preferably in the vertical or horizontal electroplating of printed circuit boards. This type of electroplating is called pulse plating.
  • the publication DE 27 39 427 A1 describes electroplating with a pulsating bath current.
  • the unipolar pulses have a maximum duration of 0.1 millisecond.
  • the pulse time, the pause time and the Pulse amplitude are used to generate these pulses.
  • Semiconductor switches here in the form of transistors, are used to generate these pulses.
  • the disadvantage here is that the maximum applicable pulsating bath current is limited technically and economically by the use of switching transistors.
  • the upper limit is around a few hundred amperes.
  • GTO Gate turn off thyristor
  • GB-A 2 214 520 which also deals with pulse plating, one embodiment avoids a second bath current source by using mechanical, electromechanical or semiconductor switches to reverse the polarity of the supplied DC voltage.
  • the high-current switches required are disadvantageous.
  • this system is inflexible because the same current amplitude must be used in both polarities, because with short high current pulses, the amplitude cannot be readjusted quickly enough in the practically available bath current sources. For this reason, a further embodiment in this document also works with two bath current sources that can be set independently of one another.
  • bath current sources are connected to the workpiece and the electrode located in the electrolytic cell via a changeover switch. Since it is necessary in the case of printed circuit board electroplating for reasons of the required precision (constant layer thickness) to use individually adjustable bath direct current sources for the front and back of the board, the effort required to implement the method according to this embodiment is thus doubled a total of four bath power sources.
  • the electronic high current switches cause large energy losses. A voltage drop occurs at each electronic switch when the internal non-linear resistor is switched on when current flows. This applies equally to all types of semiconductor elements, but with a different voltage drop. This voltage drop, also called saturation voltage or forward voltage U F , increases with increasing current.
  • the forward voltage U F is about 1 volt for diodes and transistors and about 2 volts for thyristors.
  • a galvanizing system consists of several galvanizing cells. They are fed with large currents of bath.
  • a galvanizing system consists of several galvanizing cells. They are fed with large currents of bath.
  • a galvanizing system consists of several galvanizing cells. They are fed with large currents of bath.
  • a galvanizing system consists of several galvanizing cells. They are fed with large currents of bath.
  • a galvanizing system consists of several galvanizing cells. They are fed with large currents of bath.
  • a current density is preferably selected which is greater than or equal to the current density which is used with this electrolyte in direct current electroplating.
  • a demetallization process takes place with one higher current density than during the cathodic pulse phase.
  • the factor 4 of the anodic to the cathodic pulse phase is advantageous.
  • the circuit boards are galvanized on both sides, ie on their front and rear sides with separate bath power supplies.
  • Five electrolytic baths of a horizontal electroplating system are considered as an example. For example, you have five bath power supply units on each side with a nominal current of 1,000 amperes, ie 10 bath power supply units with a total of 10,000 amperes.
  • the bath voltage for electroplating is 1 to 3 volts and is dependent on the current density. Because of the high currents, the energy balance for the circuit proposal in DE 40 05 346 A1 is considered as an example (FIG. 7).
  • the semiconductor elements 6, 9, 5 in the circuit arrangement shown in FIG. 7 thus carry the full electroplating current for a period of 10 milliseconds.
  • the power loss of these switching elements is per bath power supply with the above-mentioned forward voltages U F of
  • the high-current switch power loss of an 11 millisecond cycle is 6,000 watts. With 10 bath power supplies, this results in a power loss of 60 kW (kilo watts). To determine the efficiency, this performance must be compared with the performance that is implemented directly on the electrolytic bath for galvanizing and demetallizing.
  • the bath voltages are assumed for acidic copper baths with 2 volts for electroplating and with 7 volts for demetallization.
  • the mean value of the total bath power for pulse electroplating is approximately 4.5 kW (for 10 milliseconds 2 volts x 1,000 Amps and for 1 millisecond 7 volts x 4,000 amps). With the losses of 6 kW calculated above, the efficiency of the high-current switch alone, based on the total bath output, is clearly below 50%.
  • a galvanizing system equipped in this way with electronic high-current switches works completely inefficiently.
  • the technical effort for the electronic switches and their cooling is very large.
  • the consequence of this is that such pulse current devices also have a large volume, which prevents them from being placed close to the electrolytic cell.
  • the spatial proximity is necessary in order to achieve the required slope of the bath current in the cell at the electrodes. Long electrical conductors counteract a rapid current rise with their parasitic inductances.
  • Electromechanical switches have a significantly lower voltage drop when switched compared to electronic switches. Switches or contactors are, however, completely unsuitable for the required high pulse frequency of 100 Hertz. For the technical reasons described, the known pulse electroplating is limited to special applications and preferably to low pulse currents in the galvanotechnical sense.
  • the present invention is therefore based on the problem of finding a method and a circuit arrangement with which it is possible to generate short, cyclically repeating unipolar or bipolar pulsed high currents for electroplating without the disadvantages mentioned occurring, especially without being generated with considerable power loss.
  • the electronic circuitry required for this should also be implemented at low cost.
  • the problem is solved by the invention specified in patent claims 1 and 11.
  • the invention consists in that a pulsed current is coupled in such a way that a pulsed current is coupled in a galvanic direct current circuit, or high current circuit for short, comprising a bath direct current source, electrical conductors and an electrolytic cell with the galvanized material and anode by means of a suitable component, for example a current transformer the bath direct current is compensated or overcompensated.
  • the component is preferably connected in series with the electrolytic electroplating cell.
  • the current transformer secondary winding with a low number of turns is connected in series in the bath DC circuit so that the bath DC current flows through it.
  • the current transformer On the primary side, the current transformer has a high number of turns, so that the pulses that feed it can have a low current with a high voltage, depending on the transmission ratio.
  • the induced pulsed low secondary voltage drives the high compensation current.
  • a capacitor which is connected in parallel to the bath direct current source, serves to close the circuit for the pulsed compensation current.
  • FIGS. 1a to 1e unipolar and bipolar electroplating current profiles, as are usually used in practice;
  • Figure 2a applies during electroplating and Figure 2b during demetallization;
  • FIG. 3 is a schematic representation of the current diagram for the bath current when using the circuit arrangement shown in Figure 2;
  • FIG. 4b shows an electrical circuit diagram with entered potentials
  • FIG. 5 shows a possible control circuit for the current transformer
  • FIG. 6 shows an overall view of the circuit arrangement for use in the electroplating of printed circuit boards.
  • FIG. 7 shows a conventional circuit arrangement described in DE 40 05 346 A1.
  • a positive bath current should apply to electrolytic metallization, i. H. the material to be treated has a negative polarity with respect to the anode.
  • a bath current drawn negatively should apply to electrolytic demetallization. In this case, the material to be treated has a positive polarity with respect to the anode.
  • FIG. 1a applies to electroplating with direct current.
  • the bath flow is briefly interrupted. However, it remains unipolar, that is, the current direction is not reversed.
  • the pulse times are preferably on the order of 0.1 milliseconds to seconds. The break times are correspondingly shorter.
  • Figure 1c shows a pulse-shaped unipolar current with different amplitudes.
  • FIG. 1d shows a bipolar, that is to say a short-term polarity reversed polarity, with a long electroplating time and with a short demetallization time.
  • the demetallization amplitude here is a multiple of the metallization amplitude. Overall, however, with a plating time of z. B.
  • FIG. 1e shows a double pulse shape that can be achieved with the method according to the invention. Unipolar pulses alternate with bipolar pulses.
  • the electroplating cell represents an ohmic load for the electroplating current.
  • bath current and bath voltage are therefore in phase.
  • the low parasitic inductances of the electrical conductors to the electrolytic cell and back to the current source are negligible.
  • pulse currents contain alternating currents. With As the pulse steepness increases, the proportion of high frequencies of the alternating currents increases. Steep pulse edges have a short pulse rise and fall time.
  • the line inductances represent inductive resistances for these alternating currents. They delay the pulse edges.
  • the simplest measures consist in using very short electrical lines with very low ohmic and inductive resistances.
  • the plating current is always shown or assumed in phase with the voltage in order to simplify the drawing.
  • FIGS. 2a and 2b show the feeding of the pulse-shaped compensation current according to the invention by means of the current transformer 1.
  • the bath direct current source 2 is connected by electrical conductors 3 to the electrolytic bath, which is shown here as bath resistance R B with the reference number 4.
  • the secondary winding 6 of the current transformer 1 is connected in series with the electrolytic bath.
  • the primary side 7 of the transformer is fed by a power pulse electronics 8.
  • the power Frelektronik 8 is connected via the mains voltage connection 9
  • the current and voltage profiles for the pulses according to FIG. 1d also correspond in principle to the pulse shapes of the other diagrams in FIG. 1. They differ only in the instantaneous size of the compensation current. Therefore, the voltages or currents belonging to FIG. 1d are drawn in and considered in the following figures.
  • FIG. 2a shows the operating state during the electroplating. Potentials are shown in parentheses as an example.
  • the capacitor C is charged to the voltage U c ⁇ U GR .
  • the voltage U ⁇ s at the current transformer 1 is 0 volts.
  • the rectifier voltage U GR is thus present at the bath resistor R B and causes the galvanizing current I G.
  • This temporary state corresponds to the electroplating Direct current. According to the invention, no switches are required in the high-current circuit 5.
  • Figure 2b shows the operating state during the demetallization.
  • the potentials can no longer be viewed statically. For this reason, the potentials for the temporal end of the demetallization pulse are entered in brackets in FIG. 2b.
  • the starting point is the potential of FIG. 2a.
  • the power electronics 8 feeds the primary winding 7 of the current transformer 1 with a current that changes in amplitude over time.
  • the current flow time corresponds to the duration of the compensation current flow in the main circuit 5.
  • the primary voltage U ⁇ p at the transformer is so great that a transformer pulse voltage U ⁇ s , which is able to drive the required compensation current l ⁇ , is secondary to the number of transformer turns .
  • the charging current is the compensation current I ⁇ and at the same time the demetallization current I E. If the capacitor C has a large capacitance, the voltage increase can be kept low in the short time of the charging current flow. In principle, an accumulator can also be used instead of the capacitor C.
  • the bath direct current source 2 consisting of a rectifier bridge circuit, switches off automatically for the duration of the demetallization time, because the voltage U c > U GR due to the charging. Without additional switching elements being used, the DC source 2 therefore does not automatically feed any during the period in which the bath current I GR is fed into the circuit by the induced voltage U Ts
  • the power loss to be used for pulse generation is very low compared to known methods.
  • 8 watts are required for the reverse flow of transformer current to saturate the transformer. With 10 bath power supplies, this results in a total power loss of around 160 watts.
  • the current transformer losses must be included in the circuit according to the invention. If a very good coupling of the transformer z. B.
  • the technical outlay for carrying out the method according to the invention is likewise substantially less than when using conventional circuit arrangements. Only passive components are loaded with the high electroplating currents and with the even higher deplating currents. This significantly increases the reliability of the pulse power supply devices. Electroplating systems equipped in this way therefore have a significantly higher availability. This is also achieved with significantly less investment. At the same time, the ongoing energy consumption is lower. Because of the lower technical expenditure, the volume of such pulse devices is small, so that their implementation in the vicinity of the bath is facilitated. The line inductances of the main circuit are therefore reduced to a minimum.
  • the pulse-shaped current profile at the bath resistor R B (electroplating cell 20) is shown schematically in FIG. Because of the ohmic resistance R B , bath current and bath voltage are in phase here.
  • the compensation current flow begins. The size and direction is determined by the instantaneous voltages U c and U ⁇ s .
  • the compensation current flow ends at time t 2 .
  • the subsequent electroplating current I G is determined by the rectifier voltage U GR , in each case in connection with the bath resistance R B.
  • the time course of the voltages is shown in more detail in the diagrams in FIGS. 4a and 4b.
  • the electroplating current I G is practically in phase with the electroplating voltage U G. I G is therefore not shown because of the same course.
  • the rectifier voltage U GR the capacitor voltage U c and also the electroplating voltage U G are approximately the same.
  • the voltage U ⁇ s is 0 volts at this time.
  • the rise of the voltage pulse U TS1 at the secondary winding 6 of the current transformer 1 begins.
  • the voltage U TS1 is polarized so that the galvanizing voltage U G1 becomes negative so that demetallization can take place.
  • U G is formed from the sum of the instantaneous voltages U c and U ⁇ s .
  • the voltage U ⁇ s is polarized across the capacitor C in the direction of the existing charge.
  • T R B x C.
  • At the instant 1 2 begins the drop in the voltage pulse U TS1 .
  • a voltage U TS2 with reverse polarity occurs due to voltage induction . This now adds up with the capacitor voltage U c .
  • a brief voltage surge U G2 occurs at the bath resistor R B.
  • T R B x C
  • the voltage U ⁇ s is therefore 0 volts.
  • the voltages U GR , U c and U G are then approximately the same size again.
  • the brief voltage increase across the bath resistor R B is undesirable for electro-technical reasons. In practice, this tip and the other tips, unlike shown here, are clearly rounded.
  • a freewheeling diode parallel to the secondary winding or parallel to another winding on the core of the current transformer bring about a further weakening of the voltage increase across the bath resistor R B. The lower overvoltage is then longer.
  • These known circuits of inductors will not be discussed further here, nor will the construction of the current transformer, which is to be constructed as a pulse transformer. Pulses must be fed into the transformer on the primary side in such a way that magnetic saturation of the transformer iron is avoided. To desaturate, there is enough time in the pulse pauses after each current pulse to feed in a current with reverse polarity. For this purpose, an additional winding can be applied to the transformer core.
  • An example of the primary-side control of the current transformer 1 is shown in FIG. 5.
  • An auxiliary voltage source 12 is supported by a charging capacitor 13 with the capacitance C.
  • An electronic switch 14, here an IGBT (isolated gate bipolar transistor), is driven by voltage pulses 15.
  • IGBT isolated gate bipolar transistor
  • a primary current flows into the partial winding I of the primary winding 7 of the current transformer, and a desaturation current flows into the partial winding II to simplify the circuit.
  • only one desaturation current flows in the partial winding II
  • the number of turns of the partial windings I and II as well as the series resistor 17, through which a current of small size flows permanently, are matched to one another in such a way that the transformer iron is not saturated.
  • the primary current I TP is shown schematically in the current diagram 18 in FIG. 5.
  • FIG. 6 shows the application of the pulse current units 19 in a galvanizing bath 20 with vertically arranged electroplating material, for which two bath direct current sources 2 for the front and the back of the flat electroplating material, for example a printed circuit board, are used.
  • a galvanizing bath 20 with vertically arranged electroplating material, for which two bath direct current sources 2 for the front and the back of the flat electroplating material, for example a printed circuit board, are used.
  • Printed circuit board 21 is supplied with galvanizing current separately from one of these current sources 2.
  • An anode 22 is arranged opposite each circuit board side. During the short demetallization pulse, these anodes act as cathodes against the material to be treated, which is then anodically poled.
  • Both pulse current units can work asynchronously or synchronously with each other.
  • the pulse trains of the same frequency of both pulse current units are synchronized and if there is a phase shift of the pulses at the same time.
  • the phase shift must be such that during the electroplating phase on one side of the circuit board the demetallization pulse occurs on the other side and vice versa.
  • the metal scattering that is to say the hole plating, is improved.
  • the pulse trains with the same frequency can, however, also run asynchronously to one another in the case of separate electrolytic treatment of the front and the back of the material to be treated.
  • the invention is suitable for all pulse electroplating processes. It can be used in vertical or horizontal electroplating systems, immersion and continuous systems. In the latter, plate-shaped electroplating material is held in a horizontal or vertical position during treatment.
  • the times and amplitudes mentioned in this description can be changed over a wide range in practical applications.

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Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Strompuisen zur elektrolytischen Metallabscheidung
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von kurzen, sich zyklisch wiederholenden Strompulsen mit großer Stromstärke und mit großer Flanken¬ steilheit. Ferner betrifft sie eine Schaltungsanordnung zur elektrolytischen Metallabscheidung, insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens. Anwen¬ dung findet das Verfahren bei der elektrolytischen Metallabscheidung, vorzugs¬ weise beim vertikalen oder horizontalen Galvanisieren von Leiterplatten. Diese Art des Galvanisierens wird als Pulse-Plating bezeichnet.
Bekannt ist, daß mit Hilfe von pulsartigen Strömen das elektrolytische Ab¬ scheiden von Metallen beeinflußt werden kann. Dies betrifft die chemischen und physikalischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten. Es betrifft aber auch die gleichmäßige der Schichtdicke der Metalle auf der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes, die sogenannte Streuung. Folgende Parameter des pulsierenden Galvanisierstromes beeinflussen diese Eigen¬ schaften:
- Pulsfrequenz
- Pulszeiten - Pausenzeiten
- Pulsamplitude
- Pulsanstiegszeit
- Pulsabfallzeit
- Pulspolarität (galvanisieren, entmetallisieren)
In der Druckschrift DE 27 39 427 A1 wird das Galvanisieren mit pulsierendem Badstrom beschrieben. Die unipolaren Pulse haben hier eine Dauer von maximal 0,1 Millisekunde. Variabel sind die Pulszeit, die Pausenzeit sowie die Pulsampiitude. Zur Erzeugung dieser Pulse dienen Halbleiterschalter, hier in Form von Transistoren. Nachteilig dabei ist, daß durch den Einsatz von Schalt¬ transistoren der maximal anwendbare pulsierende Badstrom technisch und wirtschaftlich begrenzt ist. Die obere Grenze liegt etwa bei einigen hundert Ampere.
Diesen Nachteil vermeidet das in der Druckschrift DE 40 05 346 A1 beschriebe¬ ne Verfahren. Zur Erzeugung der Stromimpulse werden hier abschaltbare Thyristoren als schnelle Schaltelemente (GTO: Gate turn off thyristor) verwen- det. Technisch verfügbare GTO's eignen sich für Ströme bis zu 1.000 Ampere und mehr.
In beiden Fällen ist der technische Aufwand zu spiegeln, d. h. zu verdoppeln, wenn bipolare Pulse benötigt werden. In der Druckschrift GB-A 2 214 520, die sich ebenfalls mit dem Pulse-Plating befaßt, wird in einer Ausführungsform eine zweite Badstromquelle vermieden, indem zur Umpolung der eingespeisten Gleichspannung mechanische, elektromechanische oder Halbleiterschalter verwendet werden. Die erforderlichen Hochstromschalter sind jedoch nachteilig. Außerdem ist dieses System unflexibel, da in beiden Polaritäten mit gleicher Stromamplitude gearbeitet werden muß, denn bei kurzen Hochstrompulsen kann in den praktisch verfügbaren Badstromquellen die Amplitude nicht schnell genug nachgeregelt werden. Deshalb wird auch in einer weiteren Ausführungs- form in dieser Druckschrift mit zwei unabhängig voneinander einstellbaren Badstromquellen gearbeitet. Diese Badstromquellen sind über einen Um- Schalter mit dem in der elektrolytische Zelle befindlichen Werkstück und der Elektrode verbunden. Da es bei der Leiterpiattengalvanisierung aus Gründen der geforderten Präzision (Schichtdickenkonstanz) notwendig ist, für die Plattenvorderseite und für die Plattenrückseite individuell einstellbare Bad¬ gleichstromquellen zu verwenden, verdoppelt sich somit der Aufwand, der für die Realisierung des Verfahrens nach dieser Ausführungsform erforderlich ist, auf insgesamt vier Badstromquellen. Neben diesem hohen technischen Aufwand, insbesondere für die jeweils zweite Badstromquelle pro Leiterplattenseite, verursachen die elektronischen Hoch¬ stromschalter große Energieverluste. An jedem elektronischen Schalter ent¬ steht im eingeschalteten Zustand am inneren nichtlinearen Widerstand bei Stromfluß ein Spannungsabfall. Dies gilt für alle Arten von Halbleiterelementen gleichermaßen, jedoch mit unterschiedlich großem Spannungsabfall. Mit zunehmendem Strom wird dieser Spannungsabfall, auch Sättigungsspannung oder Flußspannung UF genannt, größer. Bei den in der Galvanotechnik im allgemeinen angewandten Strömen, z. B. bei 1.000 Ampere, beträgt die Flußspannung UF bei Dioden und Transistoren etwa 1 Volt und bei Thyristoren etwa 2 Volt. Die Verlustleistung Pv an jedem dieser Halbleiterelemente wird nach der Formel Pv = UF x I G berechnet, wobei I G der Galvanisierstrom ist. Mit I G = 1.000 A erreicht die Verlustleistung Pv 1.000 Watt bis 2.000 Watt. Die durch die elektronischen Schalter zusätzlich entstehende Wärme muß durch Kühlung abgeführt werden. In der eigentlichen Badstromquelle entsteht eben¬ falls eine Verlustleistung mindestens in der gleichen Größenordnung, die unvermeidlich ist. Diese Verluste sollen in die weiteren Betrachtungen nicht einbezogen werden. Nachfolgend werden nur die zur Pulserzeugung zusätzlich aufzubringenden Verlustleistungen betrachtet.
Eine Galvanisieranlage besteht aus mehreren Galvanisierzellen. Sie werden mit großen Badströmen gespeist. Als Beispiel soll eine Horizontalanlage zur Abscheidung von Kupfer auf Leiterplatten aus sauren Elektrolyten betrachtet werden. Die Anwendung der Pulstechnik verbessert die Menge der Kupfer- abscheidung in den feinen Löchern der Leiterplatten ganz wesentlich. Als besonders wirksam hat es sich erwiesen, wenn die Polarität der Pulse zyklisch gewechselt wird. Bei kathodischer Polarität des Behandlungsgutes wird z. B. mit Strompuisen von 10 Millisekunden Pulsdauer gearbeitet. Diesem Puls kann ein anodischer Puls mit einer Dauer von einer Millisekunde folgen. Beim pulsartigen kathodischen Metallisieren wird vorzugsweise eine Stromdichte gewählt, die größer oder gleich der Stromdichte ist, die mit diesem Elektrolyten beim Gleichstromgalvanisieren angewendet wird. Während der kurzen ano¬ dischen Strompulse findet ein Entmetallisierungsvorgang mit einer wesentlich höheren Stromdichte als während der kathodischen Pulsphase statt. Vorteilhaft ist etwa der Faktor 4 der anodischen zur kathodischen Pulsphase.
Die Leiterplatten werden beidseitig, d. h. an ihren Vorder- und Rückseiten mit getrennten Badstromversorgungen galvanisiert. Als Beispiel werden fünf elektrolytische Bäder einer horizontalen Galvanisieranlage betrachtet. Sie haben je Seite beispielsweise fünf Badstromversorgungseinheiten mit je 1.000 Ampere Nennstrom, d. h. 10 Badstromversorgungsgeräte mit insgesamt 10.000 Ampere. Die Badspannung zum Galvanisieren liegt bei sauren Kupferelek- trolyten bei 1 bis 3 Volt und ist stromdichteabhängig. Wegen der hohen Ströme wird als Beispiel die Energiebilanz für den Schaltungsvorschlag in der Druck¬ schrift DE 40 05 346 A1 betrachtet (Fig.7). Ein mit dieser Schaltungsanordnung erzeugter positiver Puls wird als Galvanisierpuls mit einer Dauer von t = 10 Millisekunden und ein negativer Puls als Entmetallisierungspuls mit einer wesentlich größeren Amplitude mit einer Dauer von t = 1 Millisekunden werden für die nachfolgende Betrachtung zugrundegelegt. Ungenauigkeiten durch geringe Flankensteilheiten werden hierbei vernachlässigt. Somit führen für die Dauer von 10 Millisekunden die Halbleiterelemente 6, 9, 5 in der in Fig. 7 dargestellten Schaltungsanordnung den vollen Galvanisierstrom. Die Verlustlei- stung dieser Schaltelemente beträgt je Badstromversorgung mit den oben angegebenen Flußspannungen UF in Höhe von
(2Volt + 1 Volt + 2Volt) x 1.000 Ampere = 5.000 Watt. Für die Dauer von 1 Millisekunden führen dann die Halbleiterelemente 7 und 8 gemäß Aufgaben¬ stellung den vierfachen Strom. Diese Verlustleistung beträgt Pv=(2Volt + 2Volt) x 4.000 Ampere = 16.000 Watt. Die mittlere
Hochstromschalter-Verlustleistung eines 11 Millisekunden langen Zyklus liegt damit bei 6.000 Watt. Mit 10 Badstromversorgungen ergibt dies eine Verlustlei¬ stung von 60 kW (kilo Watt). Zur Wirkungsgradbestimmung ist diese Leistung mit der Leistung zu vergleichen, die zum Galvanisieren und zum Entmetallisie- ren direkt am elektrolytischen Bad umgesetzt wird. Die Badspannungen werden hierzu für saure Kupferbäder mit 2 Volt zum Galvanisieren und mit 7 Volt zum Entmetallisieren angenommen. Damit beträgt der Mittelwert der Badgesamtlei¬ stung zum Pulsgalvanisieren ca. 4,5 kW (für 10 Millisekunden 2 Volt x 1.000 Ampere und für 1 Millisekunden 7 Volt x 4.000 Ampere). Mit den oben be¬ rechneten Verlusten in Höhe von 6 kW liegt somit allein der Wirkungsgrad der Hochstromschalter, bezogen auf die Badgesamtleistung, deutlich unter 50 %.
Eine derart mit elektronischen Hochstromschaltern ausgerüstete Galvanisier¬ anlage arbeitet völlig unwirtschaftlich. Zudem ist der technische Aufwand für die elektronischen Schalter und deren Kühlung sehr groß. Dies hat zur Folge, daß derartige Pulsstromgeräte auch ein großes Volumen haben, was einem räum¬ lich nahen Aufstellen an der elektrolytischen Zelle entgegensteht. Die räumliche Nähe ist aber notwendig, um in der Zelle an den Elektroden die geforderte Flankensteilheit des Badstromes zu erzielen. Lange elektrische Leiter wirken mit ihren parasitären Induktivitäten einem schnellen Stromanstieg entgegen.
Elektromechanische Schalter haben im Vergleich zu den elektronischen Schaltern einen deutlich geringeren Spannungsabfall im geschalteten Zustand. Schalter bzw. Schütze sind jedoch für die geforderte hohe Pulsfrequenz in Höhe von 100 Hertz völlig ungeeignet. Aus den beschriebenen technischen Gründen beschränkt sich das bekannte Pulsgalvanisieren auf spezielle Anwen¬ dungen und vorzugsweise auf im galvanotechnischen Sinne niedrige Puls- ströme.
Der vorliegenden Erfindung liegt von daher das Problem zugrunde, ein Verfah¬ ren und eine Schaltungsanordnung zu finden, mit denen es möglich ist, kurze, sich zyklisch wiederholende uni- oder bipolare pulsförmige hohe Ströme zum Galvanisieren zu erzeugen, ohne daß die genannten Nachteile auftreten, insbesondere ohne daß diese mit erheblicher Verlustleistung erzeugt werden. Außerdem soll die hierfür erforderliche elektronische Schaltung auch kosten¬ günstig realisiert werden.
Gelöst wird das Problem durch die in den Patentansprüchen 1 und 11 angege¬ bene Erfindung. Die Erfindung besteht darin, daß in einen Galvanisiergleichstromkreis, kurz Hochstromkreis genannt, umfassend eine Badgleichstromquelle, elektrische Leiter und eine elektrolytische Zelle mit dem Galvanisiergut und Anode auf induktivem Wege mittels eines geeigneten Bauelements, beispielsweise eines Stromtransformators, ein pulsförmiger Strom derart gepolt eingekoppelt wird, daß der Badgleichstrom kompensiert oder überkompensiert wird. Vorzugsweise wird das Bauelement mit der elektrolytischer» Galvanisierzelle in Reihe geschal¬ tet. Beispielsweise wird hierzu die Stromtransformator-Sekundärwicklung mit niedriger Windungszahl in den Badgleichstromkreis in Serie so geschaltet, daß sie vom Badgleichstrom durchflössen wird. Prirnärseitig weist der Stromtrans¬ formator eine hohe Windungszahl auf, so dali die sie speisenden Pulse ent¬ sprechend des Übersetzungsverhältnisses einen niedrigen Strom mit hoher Spannung haben können. Die induzierte pulsförmige niedrige Sekundär¬ spannung treibt den hohen Kompensationsstrom. Zum Schließen des Strom- kreises für den pulsförmigen Kompensationsstrom dient ein Kondensator, der parallel zur Badgleichstromquelle geschaltet ist.
Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert. Es zeigen:
Figuren 1a bis 1e unipolare und bipolare Galvanisierstromverläufe, so wie sie üblicherweise in der Praxis eingesetzt werden; Figuren 2a und 2b Schaltungsanordnung zur Einspeisung des Kompensa¬ tionsstromes in den Hoclistromkreis; Figur 2a gilt während des Galvanisierens und Figur 2b während des Entmetalli- sierens;
Figur 3 eine schematische Darstellung des Stromdiagramms für den Badstrom bei Verwendung der in Figur 2 dargestellten Schaltungsanordnuπg; Figur 4a Spannungsverläufe im Hochstromkreis unter Berücksichti- gung der Anstiegs- und Abfallzeiten;
Figur 4b ein elektrisches Schaltbild mit eingetragenen Potentialen;
Figur 5 eine mögliche Ansteuerungsschaltung für den Stromtrans¬ formator; Figur 6 eine Gesamtansicht der Schaltungsanordnung zur Anwen¬ dung zum Galvanisieren von Leiterplatten, In Figur 7 ist ist eine herkömmliche Schaltungsanordnung, beschrie¬ ben in DE 40 05 346 A1 , dargestellt.
In den Figuren soll ein positiv gezeichneter Badstrom für das elektrolytische Metallisieren gelten, d. h. das Behandlungsgut ist gegenüber der Anode negativ gepolt. Ein negativ gezeichneter Badstrom soll für das elektrolytische Ent¬ metallisieren gelten. Das Behandlungsgut ist in diesem Fall gegenüber der Anode positiv gepolt.
Das Diagramm in Figur 1a gilt für das Galvanisieren mit Gleichstrom. In Figur 1 b wird der Badstrom kurzzeitig unterbrochen. Er bleibt jedoch uni¬ polar, das heißt die Stomrichtung wird nicht umgepolt. Die Pulszeiten liegen vorzugsweise in der Größenordnung von 0,1 Millisekunden bis zu Sekunden. Die Pausenzeiten sind entsprechend kürzer. Figur 1c zeigt einen pulsförmigen unipolaren Strom mit unterschiedlichen Amplituden. Figur 1d zeigt einen bipolaren, das heißt kurzzeitig umgepolten pulsförmigen Strom mit einer langen Galvanisierzeit und mit einer kurzen Entmetallisierzeit. Die Entmetallisierungs- amplitude beträgt hier ein Vielfaches der Metallisierungsamplitude. Insgesamt fließt jedoch bei einer Galvanisierzeit von z. B. 10 Millisekunden und bei einer Entmetallisierzeit von 1 Millisekunden ein deutlicher Überschuß der für die Galvanisierung gegenüber der für die Entmetallisierung benötigten Ladungs¬ menge. Diese Pulsform ist für das beidseitige Galvanisieren von Leiterplatten mit feinen Löchern bevorzugt geeignet. In Figur 1e ist eine doppelte Pulsform dargestellt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt werden kann. Unipolare Pulse wechseln hier mit bipolaren Pulsen ab.
Die Galvanisierzelle stellt für den Galvanisierstrom in guter Näherung eine ohmsche Last dar. Bei einer Badstromversorgung gemäß Figur 1 b sind deshalb Badstrom und Badspannung in Phase. Die geringen parasitären Induktivitäten der elektrischen Leiter zur elektrolytischen Zelle und zur Stromquelle zurück sind vernachlässigbar. Pulsströme beinhalten dagegen Wechselströme. Mit zunehmender Flankensteilheit der Pulse wird der Anteil der hohen Frequenzen der Wechselströme größer. Steile Pulsflanken haben eine kurze Pulsanstiegs¬ und -abfallzeit. Die Leitungsinduktivitäten stellen induktive Widerstände für diese Wechselströme dar. Sie verzögern die Pulsflanken. Diese Effekte werden im nachfolgenden jedoch nicht betrachtet. Sie sind unabhängig von der Art der Pulserzeugung und daher immer gleich, wenn keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden. Die einfachsten Maßnahmen bestehen darin, sehr kurze elektrische Leitungen mit sehr niedrigen ohmschen und induktiven Wider¬ ständen zu verwenden. In den Figuren wird zur Vereinfachung der Zeichnung der Galvanisierstrom immer in Phase mit der Spannung dargestellt bzw. angenommen.
Die Figuren 2a und 2b zeigen die erfindungsgemäße Einspeisung des puls¬ förmigen Kompensationsstromes mittels des Stromtransformators 1. Die Badgleichstromquelle 2 ist durch elektrische Leiter 3 mit dem elektrolytischen Bad, das hier als Badwiderstand RB mit der Bezugszahl 4 dargestellt ist, verbunden. In diesen Hochstromkreis 5 ist die Sekundärwicklung 6 des Strom¬ transformators 1 in Serie mit dem elektrolytischen Bad geschaltet. Die Primär¬ seite 7 des Trafos wird von einer Leistungs-Puiselektronik 8 gespeist. Die Leistungs-Puiselektronik 8 wird über den Netzspannungsanschluß 9 mit
Energie versorgt. Die Strom- und Spannungsverläufe für die Pulse gemäß Figur 1d entsprechen prinzipiell auch den Pulsformen der anderen Diagramme in Figur 1. Sie unterscheiden sich nur in der momentanen Größe des Kompensa¬ tionsstromes. Deshalb werden die zu Figur 1d gehörenden Spannungen bzw. Ströme in die nachfolgenden Figuren eingezeichnet und betrachtet.
Die Figur 2a zeigt den Betriebszustand während des Galvanisierens. Als ein Beispiel sind Potentiale in Klammern eingezeichnet. Der Kondensator C ist auf die Spannung Uc ~ UGR aufgeladen. Die Spannung U τs am Stromtrans- formator 1 beträgt 0 Volt. Damit liegt, von Spannungsabfälien an den Leitungs¬ widerständen und am Widerstand der Sekundärwicklung 6 abgesehen, die Gleichrichterspannung UGR am Badwiderstand RB an und bewirkt den Galvani¬ sierstrom lG. Dieser temporäre Zustand entspricht dem Galvanisieren mit Gleichstrom. Im Hochstromkreis 5 werden erfindungsgemäß keine Schalter benötigt.
Figur 2b zeigt den Betriebszustand während des Entmetallisierens. Die Poten- tiale können nicht mehr statisch betrachtet werden. Deshalb werden in Figur 2b die Potentiale für das zeitliche Ende des Entmetallisierungspulses in Klammern eingetragen. Ausgangspunkt sind die Potentiale der Figur 2a. Die Leistungs- Puiselektronik 8 speist die Primärwicklung 7 des Stromtransformators 1 mit einem sich zeitlich in der Amplitude ändernden Strom. Die Stromflußzeit entspricht der Dauer des Kompensationsstromflusses im Hauptstromkreis 5. Die Primärspannung Uτp am Transformator ist so groß, daß entsprechend der Transformatorwindungszahlen sekundär eine Transformatorpulsspannung Uτs erzielt wird, die in der Lage ist, den geforderten Kompensationsstrom lκ zu treiben. Dabei wird der Kondensator C mit der Zeitkonstante T = RB x C, von der Spannung U c = U GR ausgehend, weiter mit der Spannung Uτs aufgeladen. Der Ladestrom ist der Kompensationsstrom I κ und zugleich der Entmetallisierungs- strom lE . Bei großer Kapazität des Kondensators C kann die Spannungs¬ anhebung in der kurzen Zeit des Ladestromflusses niedrig gehalten werden. Anstelle des Kondensators C kann grundsätzlich auch ein Akkumulator Ver- Wendung finden. Die Badgleichstromquelle 2, bestehend aus einer Gleich¬ richterbrückenschaltung schaltet sich für die Dauer der Entmetallisierzeit selbsttätig ab, weil durch die Aufladung die Spannung Uc > U GR wird. Ohne daß zusätzliche Schaltelemente verwendet werden, speist die Gleichstromquel¬ le 2 während der Zeitspanne, in der der Badstrom lGR durch die induzierte Spannung U τs in den Stromkreis eingespeist wird, daher selbsttätig keinen
Strom in den Stromkreis ein. Nach der Stromkompensation wird der Badstrom jedoch von der Gleichstromquelle wieder geliefert. Zur Vermeidung eines kurzzeitigen Rückwärtsstromes im Abschaltmoment bei trägen Gleich richter- elementen in der Badgleichstromquelle 2 kann eine Drossel 11 in den Hoch- Stromkreis 5 eingefügt werden. Auf dem Weg über den Stromtransformator 1 wird die Energie zum Entmetallisieren aufgebracht. Der hohe, jedoch zeitlich kurze Entmetallisierstrom I E in der Sekundärwicklung 6 wird primär eingespeist. Mit dem Stromtransformator-Übersetzungsverhältnis ü ist der Strom untersetzt. Hat dieser Transformator ein Untersetzungsverhältnis von z. B. 100 : 1 , so sind für einen Kompensationsstrom lκ von 4.000 Ampere primär nur ca. 40 Ampere einzuspeisen. Für die Sekundärspannung Uτs = 10 Volt sind in diesem Beispiel primär ca. 1.000 Volt erforderiich. Die Leistungs-Puiselektronik ist also für eine hohe Spannung und für vergleichsweise niedrige pulsförmige Ströme zu dimensionieren. Dafür stehen kostengünstige Halbleiterbauelemente zur Verfügung. Somit ist auch für den hohen Entmetallisierungsstrom im Haupt¬ stromkreis 5 kein Hochstromschalter notwendig.
Die zur Pulserzeugung aufzuwendende Verlustleistung ist im Vergleich zu bekannten Verfahren sehr gering. Schon die Berechnung der dominierenden Verluste zeigt den Unterschied: In der Leistungs-Puiselektronik zur Erzeugung primärseitiger Pulsströme, u. a. bestehend aus einem elektronischen Schalter mit einer Flußspannung UF = 2 Volt, beträgt die Schalterverlustleistung P = 40 Ampere x 2 Volt x (ca.) 10 % Stromflußzeit = 8 Watt. Desgleichen sind 8 Watt für den umgekehrten Transformatorstromfluß zur Transformatorsättigung nötig. Bei 10 Badstromversorgungen ergibt sich damit eine Verlustleistung von zusammen etwa 160 Watt. Für den Vergleich der gesamten Schalterverluste der erfindungsgemäßen Schaltung mit den Verlusten der bekannten Schaltun- gen müssen bei der erfindungsgemäßen Schaltung die Stromtransformator¬ verluste einbezogen werden. Wird eine sehr gute Kopplung des Transformators z. B. mit einem Schnittband-Ringkern und mit hochpermeablen dünnen Blechen verwendet, so ist mit einem Transformator-Wirkungsgrad von η = 90 % zu rechnen. Daher betragen diese Verluste bei einem Kompensationsstrom von 4.000 Ampere und einer Spannung von 7 Volt mit ca. 10 % Stromflußzeit insgesamt etwa 560 Watt. Damit ergibt sich für 10 erfindungsgemäße Bad¬ stromversorgungen eine Gesamtverlustleistung zur Erzeugung des puls¬ förmigen Galvanisierstromes in Höhe von 160 Watt für die Schalter und 5.600 Watt für die Strom-Transformatoren. In der Summe sind dies für die dominie- renden Verluste ca. 6 kilo Watt. Im oben berechneten Beispiel nach dem Stand der Technik waren dies bei Verwendung von 10 Badstromversorgungen dagegen etwa 60 kilo Watt. Der technische Aufwand zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ebenfalls wesentlich geringer als bei Verwendung herkömmlicher Schal¬ tungsanordnungen. Es werden nur passive Bauelemente mit den hohen Galvanisierströmen und mit den noch höheren Entmetallisierströmen belastet. Dies steigert die Zuverlässigkeit der Pulsstromversorgungsgeräte wesentlich. Derart ausgerüstete Galvanoanlagen haben daher eine deutlich höhere Verfüg¬ barkeit. Erreicht wird das zudem mit wesentlich geringerem Investitionsauf¬ wand. Zugleich ist der fortlaufende Energieverbrauch geringer. Wegen des geringeren technischen Aufwandes ist das Volumen derartiger Pulsgeräte klein, so daß deren Realisierung in Badnähe erleichtert ist. Die Leitungsinduktivitäten des Hauptstromkreises reduzieren sich daher auch auf ein Minimum.
In Figur 3 ist der pulsförmige Stromverlauf an dem Badwiderstand RB (Galvani¬ sierzelle 20) schematisch dargestellt. Wegen des ohmschen Widerstandes RB sind hier Badstrom und Badspannung in Phase. Im Zeitpunkt t, beginnt der Kompensationsstromfluß. Die Größe und Richtung wird von den Momentan¬ spannungen Uc und U τs bestimmt. Im Zeitpunkt t2 endet der Kompensations¬ stromfluß. Der darauf folgende Galvanisierstrom I G wird von der Gleichrichter¬ spannung UGR bestimmt, jeweils in Verbindung mit dem Badwiderstand RB.
Der zeitliche Verlauf der Spannungen ist in den Diagrammen der Figuren 4 a und 4b genauer dargestellt. Der Galvanisierstrom lG ist mit der Galvanisier¬ spannung UG praktisch in Phase. I G ist wegen des gleichen Verlaufes deshalb nicht eingezeichnet. Zum Zeitpunkt t=0 sind die Gleichrichterspannung UGR, die Kondensatorspannung Uc und ferner auch die Galvanisierspannung U G ungefähr gleich. Die Spannung Uτs beträgt zu diesem Zeitpunkt 0 Volt. Im Zeitpunkt t , beginnt der Anstieg des Spannungspulses U TS1 an der Sekundär¬ wicklung 6 des Stromtransformators 1. Die Spannung UTS1 ist so gepolt, daß die Galvanisierspannung UG1 negativ wird, so daß entmetallisert werden kann. UG wird gebildet aus der Summe der Momentanspannungen Uc und Uτs. Die Spannung Uτs ist am Kondensator C in Richtung der bestehenden Ladung gepolt. Der Kondensator C beginnt sich daher auf die Spannung Uτs weiter aufzuladen und zwar mit der Zeitkonstanten T = R B x C. Im Zeitpunkt 1 2 beginnt der Abfall des Spannungspulses UTS1 . Wegen der endlichen Induktivität des Stromtransformator-Sekundärkreises endet der abfallende Spannungspuls nicht an der Nullinie. Durch Spannungsinduktion tritt eine umgekehrt gepolte Spannung UTS2 auf. Diese addiert sich jetzt mit der Kondensatorspannung Uc . Am Badwiderstand RB tritt eine kurzzeitige Spannungsüberhöhung UG2 auf. Der Kondensator C beginnt sich mit der Zeitkonstanten T = R B x C zu entladen, wobei er zumindest partiell oder auch vollständig entladen wird. Im Zeitpunkt t3 beträgt die Spannung Uτs daher 0 Volt. Die Badgieichstromquelle UGR über¬ nimmt wieder die Speisung des Badwiderstands RB, so daß UG =UGR ist. Die Spannungen UGR, U c und U G sind dann wieder ungefähr gleich groß. Die kurzzeitige Spannungsüberhöhung am Badwiderstand RB ist aus galvanotech¬ nischen Gründen unerwünscht. In der Praxis sind diese Spitze und die weiteren Spitzen, anders als hier dargestellt, deutlich abgerundet. Eine Freilaufdiode parallel zur Sekundärwicklung oder parallel zu einer weiteren Wicklung auf dem Kern des Stromtransformators bewirken bedarfsweise eine weitere Abschwä¬ chung der Spannungserhöhung am Badwiderstand RB. Dafür steht die geringe¬ re Überspannung dann länger an. Auf diese bekannten Beschaltungen von Induktivitäten soll hier nicht weiter eingegangen werden, desgleichen auch nicht auf die Konstruktion des Stromtransformators, der als Pulstransformator aufzubauen ist. Pulse sind primärseitig in den Transformator so einzuspeisen, daß eine magnetische Sättigung des Transformatoreisens vermieden wird. Zur EntSättigung steht nach jedem Strompuls in den Pulspausen genügend Zeit zur Einspeisung eines Stromes mit umgekehrter Polarität zur Verfügung. Zu diesem Zweck kann eine zusätzliche Wicklung auf den Transformatorkern aufgebracht werden. Ein Beispiel zur primärseitigen Ansteuerung des Strom¬ transformators 1 zeigt Figur 5. Eine Hilfsspannungsquelle 12 wird von einem Ladekondensator 13 mit der Kapazität C gestützt. Ein elektronischer Schalter 14, hier ein IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor), wird von Spannungspulsen 15 angesteuert. Im durchgeschalteten Zustand des elektronischen Schalters 14 fließt in die Teilwicklung I der Primärwicklung 7 des Stromtransformators ein Primärstrom und zur Vereinfachung der Schaltung ein Entsättigungsstrom in der Teilwicklung II. Im nicht durchgeschalteten Zustand fließt nur ein Entsätti¬ gungstrom in der Teilwicklung II. Zur Aufwandreduzierung wird hier für diesen Strom auf einen möglichen weiteren elektronischen Schalter verzichtet. Die Windungszahlen der Teilwicklungen I und II sowie der Vorwiderstand 17, über den permanent ein Strom geringer Größe fließt, sind aufeinander so abge¬ stimmt, daß eine Sättigung des Transformatoreisens nicht erfolgt. Den primären Strom lTP zeigt schematisch das Stromdiagramm 18 in der Figur 5.
Figur 6 zeigt die Anwendung der Pulsstromeinheiten 19 in einem Galvanisier¬ bad 20 mit vertikal angeordnetem Galvanisiergut, für das zwei Badgleich¬ stromquellen 2 für die Vorderseite und die Rückseite des flachen Galvanisier- gutes, zum Beispiel einer Leiterplatte, verwendet werden. Jede Seite der
Leiterplatte 21 wird separat von einer dieser Stromquellen 2 mit Galvanisier¬ strom versorgt. Jeder Leiterplattenseite ist eine Anode 22 gegenüberliegend angeordnet. Während des kurzen Entmetallisierungspulses arbeiten diese Anoden als Kathoden gegenüber dem Behandlungsgut, das dann anodisch gepolt ist.
Beide Pulsstromeinheiten können zueinander asynchron oder synchron arbeiten. Zur Lochgalvanisierung von Leiterplatten ist es vorteilhaft, wenn die gleichfrequenten Pulsfolgen beider Pulsstromeinheiten synchronisiert sind und wenn zugleich eine Phasenverschiebung der Pulse vorliegt. Die Phasenver- Schiebung muß derart sein, daß während der Galvanisierphase auf der einen Leiterplattenseite der Entmetallisierungspuls auf der anderen Seite auftritt und umgekehrt. In diesem Falle wird die Metallstreuung, daß heißt die Lochgalvani¬ sierung, verbessert. Die gleichfrequenten Pulsfolgen können aber bei getrenn¬ ter elektrolytischer Behandlung der Vorder- und der Rückseite des Behand- lungsgutes auch asynchron zueinander laufen.
Die Erfindung eignet sich für alle Pulsgalvanisierverfahren. Sie kann in vertikal oder horizontal arbeitenden Galvanisieranlagen, Tauch- und Durchlaufanlagen, zur Anwendung kommen. In letzteren wird plattenförmiges Galvanisiergut während des Behandeins in horizontaler oder vertikaler Lage gehalten. Die in dieser Beschreibung genannten Zeiten und Amplituden können in praktischen Anwendungsfällen in weiten Bereichen geändert werden. In der Beschreibung verwendete Begriffe:
uG Galvanisierspannung uGR Gleichrichterspannung
Uc Kondensatorspannung
UTP Primäre Transformatorpulsspannung
UTS Sekundäre Transformatorpulsspannung uF Flußspannung
IG Galvanisierstrom
IE Entmetallisierstrom
IK Kompensationsstrom
Pv Verlustleistung ü Stromtransformator-Übersetzungsverhältnis
Bezugszeichenliste
1 Stromtransformator
2 Badgleichstromquelle
3 Elektrische Leiter 4 Badwiderstand RB
5 Hochstromkreis
6 Sekundärwicklung des Stromtransformators
7 Primärwicklung des Straomtransformators
8 Leistungs-Puiselektronik 9 Netzanschluß
10 Kondensator mit der Kapazität C
11 Drossel
12 Hilfsspannungsquelle
13 Ladekondensator mit der Kapazität CL 14 Elektronischer Schalter
15 Spannungsimpulse
16 Spannungsdiagramm
17 Vorwiderstand Stromdiagramm
Pulsstromeinheit
Galvanisierzelle
Behandlungsgut
Anode

Claims

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Strompulsen zur elektrolytischen Metallabscheidung
Patentansprüche
1 Verfahren zur Erzeugung von kurzen sich zyklisch wiederholenden unipolaren oder bipolaren pulsförmigen Strömen lG lE zum Galvanisieren, dadurch gekennzeichnet, daß in einen von einer Gleichstromquelle (2) und einer Galvanisierzelie (20) mit einem Badwiderstand RB gebildeten Galvanisiergleichstromkreis (5) mittels eines in Reihe mit der Galvani¬ sierzelle (20) geschalteten Bauelements (1) auf induktivem Wege ein pulsformiger Kompensationsstrom lk derart gepolt eingekoppelt wird, daß der von der Gleichstromquelle (2) gelieferte Badstrom kompensiert oder uberkompensiert wird
2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Bau¬ element (1) ein Transformator verwendet wird
3 Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Kompensationsstrom lk zur Aufladung eines als
Kapazität C wirkenden Bauelements (10), vorzugsweise eines Konden¬ sators oder eines Akkumulators, gefuhrt wird
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß das als Kapazität C wirkende Schaltungselement (10) wahrend der Zeitspannen, in denen der Badstrom nicht kompensiert oder uberkompensiert wird, partiell entladen wird
5 Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß zur Erzeugung von unipolaren Strompulsen die Amplitude des pulsförmigen Kompensationsstromes I k höchstens so groß einge¬ stellt wird wie die Amplitude des von der Gleichstromquelle (2) geliefer¬ ten Badstromes 6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von bipolaren Strompulsen die Amplitude des pulsförmigen Kompensationsstromes lk größer eingestellt wird als die Höhe des von der Gleichstromquelle (2) gelieferten Bad- Stromes.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Amplitude des pulsförmigen Stromes zum Entmetalli¬ sieren lE größer eingestellt wird als die Amplitude des pulsförmigen Stromes zum Metallisieren lG und daß die Pulsdauer des Stromes lE kürzer eingestellt wird als die Pulsdauer des Stromes I G.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß bei getrennter elektrolytischer Versorgung der Vorder- und Rückseite eines Galvanisiergutes mit pulsförmigem Stromdie gleich¬ frequenten Pulsfolgen beider Seiten synchron eingestellt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den pulsförmigen Strömen an der Vorder- und Rückseite des Galvanisier- gutes eine konstante Phasenverschiebung so eingestellt wird, daß auf beiden Seiten des Galvanisiergutes nicht zugleich entmetallisiert wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß als das in Reihe mit der Galvanisierzelle geschaltete Bauelement (1) ein Ringkern-Stromtransformator verwendet wird.
11. Schaltungsanordnung zum Galvanisieren, mit der kurze sich zyklisch wiederholende unipolare oder bipolare pulsförmige Ströme lG lE erzeugt werden können, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen von einer Gleich¬ stromquelle (2) und einer Galvanisierzelle (20) gebildeten Galvanisier¬ gleichstromkreis (5), in den mittels eines in Reihe mit der Galvanisier¬ zelle (20) geschalteten Bauelements (1 ) auf induktivem Wege ein puls- förmiger Kompensationsstrom lk derart gepolt einkoppelbar ist, daß der von der Gleichstromquelle (2) gelieferte Badstrom kompensiert oder überkompensiert wird.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 , gekennzeichnet durch eine zur
Gleichstromquelle (2) parallel geschaltete Kapazität C
13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, gekenn¬ zeichnet durch einen Stromtransformator als Bauelement (1) mit einer Primärwicklung (7) und einer Sekundärwicklung (6), wobei die Se¬ kundärwicklung in Reihe mit der Gleichstromquelle (2) geschaltet ist und die Primärwicklung eine größere Windungszahl aufweist als die Se¬ kundärwicklung.
14. Verfahren zur Erzeugung von kurzen sich zyklisch wiederholenden unipolaren oder bipolaren pulsförmigen Strömen lG lE zum Galvanisieren, gekennzeichnet durch einzelne oder alle neuen Merkmale oder Kombi¬ nationen von offenbarten Merkmalen.
15. Schaltungsanordnung zum Galvanisieren, mit der kurze sich zyklisch wiederholende unipolare oder bipolare pulsförmige Ströme lG lE erzeugt werden können, gekennzeichnet durch einzelne oder alle neuen Merk¬ male oder Kombinationen von offenbarten Merkmalen.
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