穩(wěn)流/穩(wěn)壓?jiǎn)蚊}沖電鍍電源及其貴金屬電鍍應(yīng)用

梁堅(jiān)

（中科院廣州電子技術(shù)有限公司）

0 引言

在貴金屬價(jià)格不斷上升的今天，貴金屬電鍍行業(yè)面臨非常大的成本壓力，為了達(dá)到節(jié)約貴金屬和獲得更好的電鍍效果，貴金屬電鍍行業(yè)使用脈沖電鍍電源成為必然的選擇。隨著電力電子技術(shù)的不斷更新，脈沖電鍍電源具有廣闊的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景。本文提出的穩(wěn)流/穩(wěn)壓?jiǎn)蚊}沖電鍍電源廣泛應(yīng)用于貴金屬電鍍行業(yè)，并取得很好的效果。

1 脈沖電鍍的原理及其參數(shù)

目前，普遍采用的電鍍電源按波形可分為脈動(dòng)直流電源、平滑直流電源、周期換向電源、單向脈沖電源、換向脈沖電源、直流疊加脈沖及智能化多波形電源等，以滿足不同電鍍工藝需要。

1.1 脈沖電鍍的原理

電鍍是用電化學(xué)方法使金屬離子還原為金屬，并在固體表面形成一層金屬或合金的過(guò)程，該金屬層即是電鍍層。對(duì)于電鍍層，要求其結(jié)構(gòu)致密，平滑均勻。脈沖電鍍是在含有某種金屬離子的電解質(zhì)溶液中，根據(jù)電化學(xué)原理，通過(guò)一定波形的低壓脈沖電流，使金屬離子在陰極上脈沖式的沉積，形成金屬層的加工過(guò)程。在脈沖電鍍時(shí)，由于關(guān)斷時(shí)間的存在，被消耗的金屬離子利用這段時(shí)間擴(kuò)散、補(bǔ)充到陰極附近。當(dāng)下一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間到來(lái)時(shí)，陰極附近的金屬離子濃度得以恢復(fù)，故可以使用較高的電流密度。因此，脈沖電鍍時(shí)的傳質(zhì)過(guò)程與直流電鍍時(shí)的傳質(zhì)過(guò)程的差異，造成了峰值電流可以高于平均電流，促使晶種形成的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶體長(zhǎng)大的速度，使鍍層結(jié)晶細(xì)化，排列緊密，孔隙減小，電阻率低[1]。脈沖電鍍所用的電流波形有多種形式，其中矩形波應(yīng)用較為廣泛，貴金屬電鍍大多數(shù)采用矩形波單脈沖電鍍。

脈沖電鍍與傳統(tǒng)的直流電鍍比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)鍍件質(zhì)量高：具有鍍層孔隙率低，可得到光亮均勻致密的鍍層，提高鍍層的抗腐蝕性；較好的結(jié)合力和分散力，能增加鍍層的密度及硬度，提高延展性和耐磨性，改進(jìn)了鍍層的物理性能。

(2)鍍層厚度?。涸谙嗤腻儗有阅苤笜?biāo)前提下，可使鍍層厚度減薄 1/3～1/2，節(jié)省原材料（如黃金、白銀、錫、鍺、鎳等貴金屬）10%～20%的使用量，具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。

(3)生產(chǎn)效率高：脈沖電鍍大幅度提高了瞬時(shí)電流密度，使其平均電流密度有可能大于直流電鍍的實(shí)際電流密度。因而，加速了電沉積速度，提高生產(chǎn)效率。一般可減少1/3～1/2的受鍍時(shí)間。

(4)改進(jìn)常規(guī)的電鍍?nèi)芤号浞胶凸に嚕涸谥绷麟婂冎?，為了?shí)現(xiàn)合金共沉積、增加鍍層的光亮度或者是改善鍍層的物理性能，通常要加入絡(luò)合劑、光亮劑等添加劑，而這些添加劑通常都是毒性很強(qiáng)的溶液，所以對(duì)生產(chǎn)和環(huán)保非常不利。使用脈沖電鍍，可以通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)來(lái)獲得高質(zhì)量的鍍層，無(wú)需使用任何的添加劑。

1.2 脈沖參數(shù)

矩形波脈沖電壓波形參數(shù)圖如圖1所示。

脈沖寬度 Ton：電流從接通到斷開(kāi)的時(shí)間，即電鍍的工作時(shí)間；

圖1 矩形波脈沖電壓波形參數(shù)圖

脈沖間隙Toff：電流從斷開(kāi)到接通的時(shí)間，即電鍍的不工作時(shí)間；

脈沖周期T：T=Ton+ Toff；

脈沖頻率F：F=1/(Ton+ Toff)；

工作比D：D=Ton/T= Ton/(Ton+ Toff)×100% （一般情況下，D≤50%）；

峰值電壓VP和平均電壓Vm的關(guān)系：Vm=VP×D；

峰值電流IP和平均電流Im的關(guān)系：Im=IP×D。

2 產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)

整機(jī)電路原理圖如圖 2所示，包括穩(wěn)流/穩(wěn)壓控制電路、脈沖信號(hào)發(fā)生器電路、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路、功率場(chǎng)效應(yīng)管脈沖斬波電路、功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路等。

2.1 整機(jī)電路原理圖

(1)市電 220V/380V：根據(jù)功率要求選擇220V/380V供電輸入模式；

(2)穩(wěn)流/穩(wěn)壓控制電路：輸出線性可調(diào)的平滑電流/電壓，根據(jù)輸出反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流/穩(wěn)壓兩種控制模式；

(3)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路：根據(jù)輸出反饋控制穩(wěn)流/穩(wěn)壓控制電路，實(shí)現(xiàn)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能；

圖2 整機(jī)電路原理框圖

(4)脈沖信號(hào)發(fā)生器電路：產(chǎn)生頻率（周期）、脈寬獨(dú)立可調(diào)的矩形波脈沖信號(hào)；

(5)功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路：將頻率（周期）、脈寬分別可調(diào)的矩形波脈沖信號(hào)進(jìn)行隔離耦合，從而驅(qū)動(dòng)控制功率場(chǎng)效應(yīng)管脈沖斬波電路；

(6)功率場(chǎng)效應(yīng)管脈沖斬波電路：將隔離耦合后的頻率（周期）、脈寬分別可調(diào)的矩形波脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大。

2.2 主要電路分析

(1)脈沖信號(hào)發(fā)生器電路

脈沖信號(hào)發(fā)生器電路如圖3 所示。傳統(tǒng)的直流電鍍只有一個(gè)參數(shù)—直流電流（電壓）可供調(diào)節(jié)，而脈沖電鍍則有脈沖平均電流 Im（脈沖平均電壓 Vm）、脈沖頻率F和脈沖寬度Ton三個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。由脈沖頻率F和脈沖寬度Ton可以引出一個(gè)重要的參數(shù)—工作比D。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)生頻率（周期）、脈沖寬度分別獨(dú)立可調(diào)的矩形波脈沖信號(hào)發(fā)生器是脈沖電源必不可少的環(huán)節(jié)。根據(jù)貴金屬電鍍工藝和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，脈沖頻率范圍為500 Hz～2000 Hz，工作比在10%～50%之間，電鍍效果十分明顯。

IC1及其外圍元件構(gòu)成頻率（周期）可調(diào)的矩形波脈沖電路，該電路由一個(gè)滯回比較器和一個(gè)RC充放電回路組成[2]，當(dāng)電容反復(fù)進(jìn)行充放電時(shí)，在電路的輸出端就產(chǎn)生了正負(fù)交替的矩形波。同理，IC2及其外圍元件構(gòu)成脈沖寬度可調(diào)的矩形波脈沖電路，工作比D≤50%；T=T1+T2=2RC；F=1/(2RC)；C＞10 PF；R：10 k?～10 M?。

(2)功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路

頻率（周期）和脈沖寬度獨(dú)立可調(diào)的矩形波脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器后，進(jìn)行光電耦合驅(qū)動(dòng)隔離。光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高[3]。

圖3 脈沖信號(hào)發(fā)生器電路圖

(3)功率場(chǎng)效應(yīng)管脈沖斬波電路

功率場(chǎng)效應(yīng)管脈沖斬波電路如圖4所示。

功率場(chǎng)效應(yīng)管脈沖斬波電路是脈沖電鍍電源的核心部分，決定著脈沖電鍍電源的優(yōu)劣。圖1為理想的矩形波脈沖電流波形，但由于受脈沖電鍍電源內(nèi)部電感、電容等器件的影響，尤其受外加負(fù)載的影響，實(shí)際應(yīng)用中的脈沖波形不可能如圖1所示。實(shí)際脈沖電鍍中的電流波形近似于梯形，上升沿和下降沿都有一定的延時(shí)時(shí)間，根據(jù)脈沖電鍍的原理，這會(huì)影響電鍍的效果。因此，要盡量控制脈沖上升沿和下降沿的延時(shí)時(shí)間，使輸出的脈沖波形接近矩形波，所以脈沖斬波電路選取的器件尤為重要。目前用于斬波電路的器件有功率場(chǎng)效應(yīng)管（POWER MOSFET）與雙極型功率晶體管（GTR），它們相比具有以下特點(diǎn)：

圖4 功率場(chǎng)效應(yīng)管脈沖斬波電路

① 功率場(chǎng)效應(yīng)管是電壓型控制器件，而雙極型晶體管是電流型控制器件，因此功率MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管在驅(qū)動(dòng)輸出大電流時(shí)驅(qū)動(dòng)電路較簡(jiǎn)單；

② 功率場(chǎng)效應(yīng)管的輸入阻抗高，可以達(dá)到 108歐姆以上；

③ 功率場(chǎng)效應(yīng)管的工作頻率范圍寬，開(kāi)關(guān)速度快、損耗??；

④ 功率場(chǎng)效應(yīng)管可以多個(gè)并聯(lián)使用。

如圖4所示，該電路是電壓控制的多個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)的脈沖斬波電路，可根據(jù)輸出功率的大小，并聯(lián)多個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管。其在每個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管柵極和源極之間并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管（V=20 V），保護(hù)柵極和源極不被擊穿。在每個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管源極上串聯(lián)一個(gè)均流電阻，以減少每個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管輸出電流的差別。在每個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管柵極引線上設(shè)置鐵氧體磁珠，即在導(dǎo)線上套一個(gè)小磁環(huán)形成有損耗阻尼環(huán)節(jié)[4]。

3 穩(wěn)流/穩(wěn)壓?jiǎn)蚊}沖電鍍電源在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

本文提出的穩(wěn)流/穩(wěn)壓?jiǎn)蚊}沖電鍍電源廣泛應(yīng)用于貴金屬電鍍行業(yè)，在不少的電路板加工廠家和珠寶首飾加工廠家的實(shí)際生產(chǎn)中取得了明顯的電鍍效果。穩(wěn)流/穩(wěn)壓?jiǎn)蚊}沖電鍍電源在實(shí)際電鍍生產(chǎn)中的應(yīng)用參考：

(1)電鍍表面非規(guī)則的鍍件時(shí)，要選用穩(wěn)流控制模式，否則會(huì)出現(xiàn)明顯的電鍍尖峰效應(yīng)；

(2)在相同電鍍電流下，選取工作比越小，鍍層的致密性就越好，但電鍍時(shí)間需稍長(zhǎng)，而選取工作比越大，鍍層就越平滑光亮，但電鍍時(shí)間就可以短一些；

(3)鍍金工藝：頻率F選取700 Hz、800 Hz或900 Hz；工作比D選取10%～15%[5]；

(4)鍍銀工藝：頻率F選取800 Hz、900 Hz或1000 Hz；工作比D選取15%～30%[5]。

4 結(jié)論

本文提出的穩(wěn)流/穩(wěn)壓?jiǎn)蚊}沖電鍍電源具有控制線路成熟，操作簡(jiǎn)單，安全可靠等特點(diǎn)，并已應(yīng)用于貴金屬電鍍行業(yè)，在實(shí)際電鍍生產(chǎn)中取得理想的效果。

[1]向國(guó)樸.脈沖電鍍的理論與應(yīng)用[M].天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,1989.

[2]清華大學(xué)電子教研組.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程[M].北京:高等教育出版社,1985.

[3]丁道宏.電力電子技術(shù)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1996.

[4]李序葆,趙永健.電力電子器件及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

[5]曾華梁,吳仲達(dá),秦月文,等.電鍍工藝手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989.