ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ГАЛЬВАНОТЕХНОЛОГИИ Российский патент 1995 года по МПК C25D21/12 

Изобретение относится к гальванотехнике и может быть применено для питания гальванических ванн при нанесении одно- и многослойных гальванических покрытий, для электрохимического обезжиривания и травления.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и выполняемым функциям является электропреобразователь для гальванотехнологии, содержащий приборы контроля тока, двуполярный источник питания постоянного тока, два встречно-параллельно включенных транзисторных ключа, дроссель, блок управления и нагрузку [1]
Недостатками устройства являются ограниченность форм выходного тока и сложность изменения их по заданной программе, а также возникновение бросков (всплесков) напряжения при закрывании ключей, вызывающих перегрузку транзисторов ключей и повышенный уровень помех по шинам питания и земли.

Целью изобретения являются расширение функциональных возможностей электропреобразователя для гальванотехно- логии за счет синтеза формы выходного тока по заданной программе и ее изменения по любому закону, а также повышение надежности электропреобразователя путем уменьшения коммутационных всплесков напряжения на ключах.

Цель достигается тем, что в электропреобразователь, содержащий двуполярный источник питания, подсоединенный нулевым выводом к аноду нагрузки, а полюсными выводами через два токовых транзисторных ключа, подключенных силовой цепью параллельно, к дросселю изменяемой индуктивности, и блок управления, первый и второй входы которого соединены с полюсами источника питания, а первый и второй выходы с базами соответствующих транзисторных ключей, дополнительно введены первый и второй тиристоры, включенные встречно-параллельно между выходными электродами ключей и нулевым выводом источника питания, резистор, соединенный выводами с дросселем изменяемой индуктивности и катодом нагрузки, усилитель, входы которого подключены к выводам резистора, а выход к третьему входу блока управления, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и измеритель напряжения, вход которого соединен с выходом усилителя, а выход подключен к входу АЦП, регистр и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выход которого подключен к четвертому входу блока управления, а вход к выходу регистра, первый, второй и третий таймеры, выходы первых двух из которых соединены соответственно с пятым и шестым входами блока управления, и управляющая ЭВМ, двунаправленная магистраль (системная шина) которой подключена к выходу АЦП, входу регистра, входам таймеров и с которой соединены выходы таймеров.

В предлагаемом электропреобразователе управляющая ЭВМ согласно заданной программе формирует в нагрузке ток, изменяющийся по любому закону. Наличие цепи обратной связи позволяет контролировать величину протекающего тока и, воздействуя на коммутирующие элементы, поддерживать ее равной заданной при наличии различных дестабилизирующих факторов (например, при изменении сопротивления нагрузки). Технологический процесс гальванической обработки при использовании предлагаемого электропреобразователя может состоять из нескольких циклов, параметры тока в каждом из которых изменяются независимо от других. Кроме того, соединение дросселя с нулевым выводом источника питания в момент закрывания ключей обеспечивает замкнутую цепь протекания тока через дроссель и нагрузку и отсутствие всплесков напряжения, что облегчает режимы работы транзисторов ключей, повышает их надежность и уменьшает величину помех в шинах питания и земли. Тем самым предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями и повышенной надежностью по сравнению с устройством-прототипом.

На фиг. 1 представлена структурная схема преобразователя; на фиг.2 и 3 диаграммы, поясняющие работу преобразователя.

Преобразователь (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 тиристоры, резистор 3, измерительный усилитель 4, источник 5 питания, анод 6 нагрузки (гальванической ванны) 7, первый 8 и второй 9 ключевые транзисторы, дроссель 10 с изменяемой индуктивностью, катод 11 нагрузки 7, блок 12 управления, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13, измеритель 14 напряжения, регистр 15, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 16, первый 17, второй 18 и третий 19 таймеры, системную шину 20 управляющей ЭВМ 21, к которой подключены первая 22, вторая 23 и третья 24 линии запроса прерывания.

Блок 12 управления состоит из первого 25 и второго 26 компараторов, первого 27 и второго 28 двухвходовых элементов И, первого 29 и второго 30 усилителей, первого 31 и второго 32 одновибраторов (ждущих мультивибраторов), первого 33 и второго 34 формирователей запускающих импульсов, причем первый вход первого усилителя 29 является первым, а первый вход второго усилителя 30 вторым входом блока 12, выход первого усилителя 29 первым, выход второго усилителя 30 вторым, выход первого формирователя 33 запускающих импульсов третьим, а выход второго формирователя 34 запускающих импульсов четвертым выходом блока 12 управления.

Первый вход первого компаратора 25 соединен с вторым входом второго компаратора 26 и третьим входом блока 12. Второй вход компаратора 25 подключен к первому входу компаратора 26 и четвертому входу блока 12. Выход компаратора 25 соединен с входом первого элемента И 27, а выход компаратора 26 с входом второго элемента И 28, другие входы которых являются соответственно пятым и шестым входами блока 12.

Выход элемента И 27 подключен к второму входу первого усилителя 29 и входу первого одновибратора 31, выход которого соединен с входом первого формирователя 33. Выход второго элемента И 28 подключен к второму входу второго усилителя 30 и входу второго одновибратора 32, выход которого соединен с входом второго формирователя 34.

Электропреобразователь работает следующим образом. ЭВМ 21 через системную магистраль 20 записывает в регистр 15 код, соответствующий величине заданного тока, в первый таймер 17 код, соответствующий длительности положительной полярности выходного тока, во второй таймер 18 код, соответствующий длительности отрицательной полярности выходного тока, а в третий таймер 19 код, соответствующий длительности паузы.

После записи код с выхода регистра 15 подается на вход ЦАП 16, который устанавливает выходное напряжение, пропорциональное входному коду, на четвертом входе блока 12 управления. На выходе первого таймера 17, если формируемый импульс тока должен иметь положительную полярность (прямой ток), или на выходе второго таймера 18 для обратного тока устанавливается высокий уровень. На выходе третьего таймера 19 низкий уровень.

Рассмотрим работу преобразователя для положительной полярности выходного тока. В начальный момент времени на выходе ЦАП 16 и втором входе компаратора 25 уровень, соответствующий заданному току, на первом входе компаратора 25 уровень, близкий к нулю, на выходе первого таймера 17 уровень логической "1". Поэтому на выходе компаратора 25 высокий уровень, на выходе элемента И 27 также высокий уровень, на выходе усилителя 29 напряжение положительной полярности, открывающее первый транзистор 8. В силу этого в нагрузке 7 по цепи "плюс" источник 5 питания, первый транзистор 8, дроссель 10, резистор 3, катод 11, анод 6 нагрузки 7, нулевой выход источника 5 питания протекает нарастающий прямой (катодный) ток. Падение напряжения на резисторе 3, пропорциональное протекающему току, усиливается измерительным усилителем 4, с выхода которого поступает на третий вход блока 12 и далее на первый вход компаратора 25. При превышении током в нагрузке величины заданного тока компаратор 25 сбрасывается в ноль, так как напряжение на его первом (инвертирующем) входе превысит уровень на втором. На выходе усилителя 29 устанавливается напряжение, близкое к нулю, транзистор 8 закрывается и отключает нагрузку 7 от источника 5 питания. Одновременно с переключением в нулевое состояние компаратора 25 на выходе одновибратора 31 вырабатывается импульс (фиг.3б, в), поступающий на вход первого формирователя 33. На выходе формирователя 33 вырабатывается импульс, отпирающий первый тиристор 1. Цепь дроссель 10, резистор 3, катод 11 и анод 6 нагрузки 7 замыкается через первый тиристор 1, энергия, накопленная в дросселе 10, расходуется на поддержание заданного направления тока, и ток в нагрузке начинает спадать.

При снижении тока в нагрузке ниже заданного значения уровень напряжения на первом входе компаратора 25 становится меньше, чем на втором, компаратор 25 устанавливается в состояние логической "1" по выходу, на входе усилителя 29 появляется высокий уровень, который открывает транзистор 8. Положительное напряжение с выхода источника 5 через открытый транзистор 8 прикладывается к катоду тиристора 1 и закрывает его. Одновременно в цепи нагрузки 7 ток начинает нарастать до тех пор, пока не превысит заданное значение. В дальнейшем описанный процесс повторяется в течение длительности первого импульса. Процесс отслеживания величины заданного тока показан на фиг.2г, а временные диаграммы работы компаратора 25 и одновибратора 31 в течение времени регулирования на фиг.3.

После окончания длительности положительной полярности выходного тока (первого импульса) на выходе первого таймера 17 устанавливается уровень логического "0", который закрывает элемент И 27 и блокирует усилитель 29 и одновибратор 31 (фиг.2а). С выхода первого таймера 17 по линии 22 на системную шину 20 и далее в управляющую ЭВМ 21 поступает сигнал запроса прерывания по окончании длительности положительной полярности выходного тока. По сигналу от ЭВМ 21 начинает работу третий таймер 19, отсчитывающий длительность паузы (фиг.3в). По окончании паузы с выхода третьего таймера 19 по линии 24 на системную шину 20 и далее в ЭВМ 21 поступает сигнал запроса об окончании паузы. Обработав этот запрос, ЭВМ 21 через шину 20 загружает в регистр 15 код, соответствующий величине отрицательного тока нагрузки, и разрешает работу второго таймера 18. На выходе второго таймера 18 устанавливается уровень логической "1" (фиг.2б). Работа преобразователя протекает аналогично описанному для положительного тока (фиг.2г). В работе принимают участие второй компаратор 26, второй элемент И 28, второй одновибратор 32, второй усилитель 30, второй формирователь 34 запускающего импульса, второй транзистор 9 и второй тиристор 2. Нагрузка 7 через второй транзистор 9 подключается к минусовому выводу источника 5 питания. По окончании длительности отрицательной полярности выходного тока на выходе второго таймера 18 устанавливается уровень логического "0" и по линии 23 на системную шину 20 и далее в ЭВМ 21 поступает сигнал запроса об окончании длительности отрицательной полярности выходного тока.

ЭВМ 21 в соответствии с заданной программой может снова записать в регистр 15 и таймеры 17-19 необходимые коды и продолжить технологический процесс нанесения гальванического покрытия. В ходе технологического процесса с выхода измерительного усилителя 4 на вход измерителя 14 напряжения поступает напряжение, пропорциональное протекающему току. В зависимости от заданного в программе условия на выходе измерителя 14 устанавливается уровень напряжения, пропорциональный среднему или действующему значению тока нагрузки. Это напряжение преобразуется в цифровой код с помощью АЦП 13 и передается в ЭВМ 21. ЭВМ анализирует полученный код (сравнивает с заданным) и рассчитывает количество электричества, прошедшее через гальваническую ванну 7.

Если в ходе процесса необходимо изменение протекающего в гальванической ванне тока по какому-либо сложному закону, то ЭВМ 21 рассчитывает аппроксимирующую кривую, ее дискретизацию и в соответствии с расчетом периодически записывает в регистр 15 необходимые коды. Поскольку предлагаемое устройство автоматически отслеживает величину заданного тока, изменение протекающего через нагрузку 7 тока будет происходить по закону, определенному ЭВМ. Вид одной из кривых изменения тока показан на фиг.2д.

Таким образом, введение новых элементов и связей позволяет автоматически изменять величину и форму протекающего через гальваническую ванну тока по любому закону, обеспечить поддержание заданной величины тока при действии различных дестабилизирующих факторов и добиться высокой стабильности свойств наносимых гальванических покрытий, а в процессе работы коммутация транзисторных ключей происходит без всплесков напряжения, что повышает надежность работы преобразователя и уменьшает уровень помех в шинах питания и земли.

Использование: гальванотехника, в частности питание гальванических ванн при нанесении одно- и многослойных гальванических покрытий, при электрохимическом обезжиривании и травлении. Сущность изобретения: электропреобразователь содержит первый и второй тиристоры, резистор, измерительный усилитель, источник питания, подсоединенный нулевым выводом к аноду нагрузки, а полюсными выводами через два транзисторных ключа - к дросселю с изменяемой индуктивностью, катод нагрузки, блок уравления, аналого-цифровой преобразователь, измеритель напряжения, регистр, цифроаналоговый преобразователь, первый, второй и третий таймеры, системную шину управляющей ЭВМ, к которой подключены первая, вторая и третья линиии запроса прерывания. Расширение функциональных возможностей достигается за счет того, что управляющая ЭВМ согласно заданной программе записывает в регистр коды, соответствующие величине выходного тока ,а таймеры - коды, определяющие длительность импульсов прямого, обратного тока и паузы между ними. Код с выхода регистра преобразуется в напряжение с помощью ЦАП и управляет работой блока, формирующего коммутирующие напряжение для транзисторных ключей. Цепь обратной связи с резистора через услилитель, измеритель и АЦП позволяет ЭВМ контролировать протекающий в нагрузке ток и стабилизировать его величину. Повышение надежности достигается за счет включения одного из тиристоров в момент закрывания транзисторного ключа и замыкания дросселя на нулевой вывод источника питания, что устраняет коммутационные всплески напряжения и уменьшает величину помех. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ГАЛЬВАНОТЕХНОЛОГИИ, содержащий двуполярный источник питания, подсоединенный нулевым выводом к аноду нагрузки, а полюсными выводами через два токовых транзисторных ключа, подключенных силовой цепью параллельно к дросселю изменяемой индуктивности, и блок управления, первый и второй входы которого соединены с полюсами источника питания, а первый и второй выходы с базами соответствующих транзисторных ключей, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей электропреобразователя за счет автоматического изменения величины и формы выходного тока по любому закону в соответствии с заданной программой, стабилизации тока нагрузки при действии различных дестабилизирующих факторов, а также повышения надежности за счет уменьшения коммутационных всплесков напряжения на ключах, он снабжен первым и вторым тиристорами, первым, вторым и третьим таймерами, регистром, аналого-цифровым и цифроаналоговым преобразователями, измерителем напряжения, резистором, управляющей ЭВМ со своей системной шиной и измерительным усилителем, причем первый и второй тиристоры включены встречно параллельно между выходными электродами ключей и нулевым выводом источника питания, третий выход блока управления соединен с управляющим электродом первого тиристора, четвертый выход с управляющим электродом второго тиристора, шестой вход с выходом второго таймера и второй линией запроса, подключенной к системной шине, пятый вход с выходом первого таймера и первой линией запроса, подключенной к системной шине, четвертый вход с выходом цифроаналогового преобразователя, третий вход с выходом измерительного усилителя и входом измерителя напряжения, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с системной шиной, которая подключена к входам первого, второго и третьего таймеров, входу регистра и линии запроса от третьего таймера, выход регистра соединен с входом цифроаналогового преобразователя, второй вывод дросселя соединен с выводом резистора и первым входом измерительного усилителя, второй вход которого соединен с вторым выводом резистора и с катодом нагрузки. 2. Электропреобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок управления выполнен в виде соединенных первого и второго компараторов, первого и второго двухвходовых элементов И, первого и второго усилителей, первого и второго одновибраторов (ждущих мультивибраторов), а также первого и второго формирователей запускающих импульсов, причем первый вход первого компаратора соединен с вторым входом второго компаратора и подключен к выходу измерительного усилителя, второй вход первого компаратора соединен с первым входом второго компаратора и подключен к выходу ЦАП, выход первого компаратора соединен с первым входом первого элемента И, а выход второго компаратора с первым входом второго элемента И, выход первого элемента И соединен с вторым входом первого усилителя и входом первого одновибратора, а выход второго элемента И с входом второго одновибратора и вторым входом второго усилителя, выход первого одновибратора подключен к входу первого формирователя запускающих импульсов, а выход второго одновибратора к входу второго формирователя запускающих импульсов, причем первый вход первого усилителя соединен с плюсовым выводом источника питания, выход первого усилителя подключен к базе первого транзисторного ключа, выход первого формирователя запускающих импульсов соединен с управляющим электродом первого тиристора, а выход второго формирователя запускающих импульсов с управляющим электродом второго тиристора, выход второго усилителя подключен к базе второго транзисторного ключа, первый вход второго усилителя соединен с минусовой шиной источника питания, второй вход второго элемента И подключен к выходу второго таймера, а второй вход первого элемента И к выходу первого таймера.