脈沖電鍍電源的工作原理及技術研究

　　3.2 電流波形

　　周期換向脈沖電流的波形一般有以下幾種：

　　3.2.1 有關斷時間的單個脈沖換向

　　一個正向脈沖之后緊接著一個反向脈沖，其波形，如圖3所示。

　　這種波形兼有脈沖和換向的優(yōu)點，但缺點是調節(jié)參數時，正、反向脈沖的導通、關斷時間選擇與正、反向脈沖的持續(xù)時間選擇發(fā)生沖突。因此，這種形式若作為槽外控制改善鍍層質量的手段，其功能極不完善，在實際生產中極少應用。

　　3.2.2 無關斷時間的單個脈沖換向

　　一個無關斷時間的正向脈沖后緊接著一個無關斷時間的反向脈沖，其波形，如圖4所示。正、反向脈沖持續(xù)時間通常在ms級，（如正向20ms，反向1ms），這種波形通常也稱為方波交流電，與普通正弦波交流電波形相異，但頻率大致相同，約50Hz左右。這種波形正向脈沖持續(xù)時間長、幅度小，反向脈沖持續(xù)時間短、幅度大，其反向脈沖的不均勻電流密度分布補償作用較明顯，改善鍍層厚度分布的效果較明顯。其適用于對鍍層均勻性要求較高的電鍍場合（如印刷線路板鍍銅，可明顯縮小孔內、外鍍層厚度比）。但因其脈沖無關斷時間，且頻率較低，改善鍍層結晶的效果尚不理想，因此不宜用于（尤其對鍍層結晶要求較高的）貴金屬電鍍。

　　3.2.3 脈動脈沖換向

　　一組正向脈沖之后緊接著一組反向脈沖，即：正、反向脈沖均為群波而非單個波形，其波形，如圖2所示。

　　這種波形為典型的周期換向脈沖波形，在功能性電鍍生產中應用最廣泛。相對于有關斷時間的單個脈沖換向，其克服了正、反向脈沖的導通、關斷時間選擇與正、反向脈沖的持續(xù)時間選擇發(fā)生沖突的缺點。相對于無關斷時間的單個脈沖換向，其克服了脈沖無關斷時間、改善鍍層結晶不理想的缺點。所以，脈動脈沖換向同時具有改善鍍層厚度分布和改善鍍層結晶狀況的雙重效果。

　　3.2.4 多組脈沖換向

　　多組脈沖換向簡稱多脈沖，其波形，如圖5所示。它是在脈動脈沖換向的基礎上增加可編程序功能，在每一個程序或時段內采用的脈沖參數可各不相同。而普通的脈動脈沖換向，其各項參數調節(jié)好后，直到電鍍過程結束，便不再改變。

　　多組脈沖換向的優(yōu)點如下：

　　（1）各層間應力相互抵消，鍍層脆性下降，抗疲勞強度增強;

　?。?）各層間多次重疊，則鍍層孔隙率降低，致密性、耐蝕性提高;

　　（3）各層間組分不同，有可能產生奇異的效果。

　　4middot;脈沖電鍍電源

　　脈沖電鍍電源是產生脈沖電流的電源，它一般先由基礎直流電源產生低紋波直流電流，然后再通過功率器件斬波形成脈沖電流。斬波電路可采用可控硅電子開關電路和晶體管轉換開關電路等。

　　4.1 脈沖電鍍電源的波形

　　圖1為理想的方波脈沖電流波形，但由于受脈沖電鍍電源內部電感、電容等器件及外加負載的影響，實際應用中的脈沖波形不可能如圖1所示。實際脈沖電鍍中的電流波形近似于梯形，可簡單地用圖6中的波形來表示。

　　在電鍍體系中，電極/溶液界面間的雙電層近似于一個平板電容器，板間具有很高的電容。當向該電鍍體系施加脈沖電流時，必須首先給雙電層充電。雙電層充滿電（脈沖電流密度從零增至峰值）需要一定的時間tc，脈沖電流密度不可能從零垂直增至峰值，而是需要一定的“爬坡”?！芭榔隆彼枰臅r間可簡單地視作脈沖的上升時間（確切的脈沖上升時間定義：脈沖電流密度由峰值電流密度的10%上升到90%所需要的時間），上升時間也稱作“上升沿”、“前沿”、“上沖”等。

　　當脈沖電流密度“爬坡”至峰值并持續(xù)一段時間tb后，開始進入關斷期。進入關斷期后，脈沖電鍍電源雖然停止向該電鍍體系供電，但雙電層放電（從滿電釋放至零）會使電流維持一段時間td。所以，此時脈沖電流密度不可能從峰值垂直下降至零，而是需要一定的“下坡”。“下坡”所需要的時間可簡單地視作脈沖的下降時間（確切的脈沖下降時間定義：脈沖電流密度由峰值電流密度的90%下降到10%所需要的時間），下降時間也稱作“下降沿”、“后沿”、“下沖”等。

　　正是由于脈沖前、后沿的客觀存在，使實際脈沖電鍍中的電流波形不可能是理想的方波，而是一種不規(guī)則的近似于梯形的波形。目前尚無法確知前、后沿對鍍層質量的影響有多大，但可確知其存在會使脈沖電鍍瞬時高電位的有利作用得不到充分發(fā)揮。所以，脈沖電鍍中總是要求脈沖前、后沿盡可能小，一般要求前沿20~100μs，后沿30~100μs。其實，不應只要求前、后沿大小，避免前、后沿大于（或等于）導通、關斷時間也很必要。否則，若前沿（遠）大于導通時間，后沿（遠）大于關斷時間，則鍍槽內只能得到在平均電流附近變化的脈沖電流，即：脈沖電流實際變成了直流電流，其波形，如圖7所示。

　　4.2 脈沖電鍍電源的頻率

　　一般高頻脈沖定義為頻率大于5000Hz，低頻為頻率小于500Hz，中頻則在500~5000Hz之間。用于電鍍的脈沖電源多屬于中頻類型［2］。當使用頻率較低的脈沖電源時，其改善鍍層質量的效果會稍差。所以，低頻脈沖電源多用于陽極氧化或其他工藝，而較少用于電鍍，尤其是貴金屬電鍍。當使用頻率較高的脈沖電鍍電源時，脈沖前、后沿極易對導通、關斷時間造成嚴重影響，從而影響脈沖電鍍瞬時高電位有利作用的充分發(fā)揮。例如：脈沖鍍金，頻率5000Hz（此時脈沖周期0.2ms），占空比20%，則導通時間為40μs，此時，假設脈沖前沿為最小的20μs（實際可能更大），則其比例至少占到了導通時間的50%;若頻率大于5000Hz，占空比小于20%（脈沖鍍金時占空比很多時候選10%），則前沿占導通時間的比例會更大，甚至前沿會大于導通時間，如此，脈沖電鍍改善鍍層結晶的作用肯定會受到嚴重影響。實際脈沖電鍍貴金屬生產中，頻率多在1000Hz左右。

　　當使用頻率更高的脈沖電源（上萬或幾萬Hz）時，其輸出的電流多是如圖7所示的電流波形，實質是一種直流電流，與能夠改善鍍層結晶的方波脈沖電流有本質的區(qū)別。

　　4.3 脈沖電鍍電源使用注意事項

　　（1）脈沖電鍍電源與鍍槽間導體的連接

　　脈沖電鍍電源與鍍槽間連線的電感阻滯了電流變化，導致通過鍍槽的脈沖電流上升時間延緩，引起脈沖波形畸變。采用短、粗、根數多的電纜線，且陰、陽極電纜線相絞而用，可盡量抵消電感效應，減小脈沖波形失真度，提高鍍層質量。

　　連線一般要求不超過2m，這使得脈沖電鍍電源距離鍍槽較近，從而增加了電源受腐蝕的幾率，使設備可靠性降低（脈沖電源比普通電源更不耐腐蝕）。比較可行的